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JP7135458B2 - Fuel cell - Google Patents

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JP7135458B2
JP7135458B2 JP2018109042A JP2018109042A JP7135458B2 JP 7135458 B2 JP7135458 B2 JP 7135458B2 JP 2018109042 A JP2018109042 A JP 2018109042A JP 2018109042 A JP2018109042 A JP 2018109042A JP 7135458 B2 JP7135458 B2 JP 7135458B2
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Description

本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to fuel cells.

従来、電解質に固体電解質を用いる燃料電池として、固体酸化物形燃料電池が知られている。例えば、特許文献1には、単セルと金属製セパレータとを、ガラス系シール材料や特定のロウ材などによってシールした固体酸化物形燃料電池が記載されている。 Solid oxide fuel cells are conventionally known as fuel cells using a solid electrolyte as an electrolyte. For example, Patent Literature 1 describes a solid oxide fuel cell in which a single cell and a metal separator are sealed with a glass-based sealing material, a specific brazing material, or the like.

特開2014-49325号公報JP 2014-49325 A

電解質として固体電解質を用いる燃料電池では、単セルと金属部材との間のガスシールに、通常、ガラス系シール材料が用いられる。ガラス系シール材料より構成されるシール部は、母材強度に優れる。しかし、ガラス系シール材料より構成されるシール部は、シール部と金属部材との界面において金属部材をシール部から引き剥がすように作用する引き剥がし力に対して、極めて弱い。燃料電池の高負荷発電や短時間での起動停止時等には、セル面内に発生する温度分布によって不均一な歪みが生じ、これによって電池部品に反りが生じ、上述した引き剥がし力が生じやすい。このような引き剥がし力が生じると、金属部材とシール部との界面からの剥がれによる界面破壊が止まることなく進展し、シール部が最終破壊に達することでガスシール性が失われる。 In a fuel cell using a solid electrolyte as an electrolyte, a glass-based sealing material is usually used for gas sealing between a unit cell and a metal member. A sealing portion made of a glass-based sealing material has excellent base material strength. However, the seal portion made of a glass-based sealing material is extremely weak against a peeling force acting to peel the metal member from the seal portion at the interface between the seal portion and the metal member. When a fuel cell generates power under a high load or is started and stopped in a short period of time, uneven distortion occurs due to the temperature distribution that occurs within the cell surface, which causes the cell parts to warp and the above-mentioned peeling force to occur. Cheap. When such a peeling force is generated, interfacial breakage due to peeling from the interface between the metal member and the seal portion progresses without stopping, and the seal portion reaches final breakage, resulting in a loss of gas sealing performance.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、シール部の最終破壊を遅延させることが可能な燃料電池を提供しようとするものである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell capable of delaying the final breakage of the seal portion.

本発明の一態様は、電解質に固体電解質を用いる単セル(2)と、
上記単セルの周辺に配置される金属部材(3)と、
シール材料より構成されており、上記単セルと上記金属部材との間をガスシールするシール部(4)と、
上記金属部材と上記シール部との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊から上記シール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる破壊形態遷移部(5)と、を有しており、
上記単セルは、固体電解質層(20)の一方面にアノード(21)および他方面にカソード(22)が配置されており、かつ、上記カソードは上記固体電解質層の外形よりも小さい外形に形成されている、または、上記固体電解質層の一方面に上記アノードおよび他方面に上記カソードが配置されるとともに上記固体電解質層と上記カソードとの間に中間層を有しており、かつ、上記カソードは上記中間層の外形よりも小さい外形に形成されており
上記シール部は、上記固体電解質層の上記カソード側の外周縁表面と上記金属部材との間に形成される隙間(40)をガスシールしている、または上記中間層の上記カソード側の外周縁表面と上記金属部材との間に形成される隙間(40)をガスシールしており、
上記破壊形態遷移部は、上記金属部材を貫通する貫通穴(31)と、上記貫通穴に入り込んだシール材料の一部(40)と、を有している、
燃料電池(1)にある。
One aspect of the present invention is a single cell (2) using a solid electrolyte as the electrolyte,
a metal member (3) arranged around the single cell;
a sealing part (4) made of a sealing material for gas-sealing between the single cell and the metal member;
and a fracture mode transition section (5) that changes the fracture mode from the interface fracture to the seal material fracture due to the seal material in the middle of the interface fracture due to peeling from the interface between the metal member and the seal portion. and
The single cell has an anode (21) on one side of a solid electrolyte layer (20) and a cathode (22) on the other side , and the cathode is formed to have a smaller outer shape than the solid electrolyte layer. Alternatively, the anode is arranged on one side of the solid electrolyte layer and the cathode is arranged on the other side, and an intermediate layer is provided between the solid electrolyte layer and the cathode, and the cathode is formed to have a smaller outer shape than the outer shape of the intermediate layer ,
The sealing portion gas seals a gap (40) formed between the cathode-side outer peripheral surface of the solid electrolyte layer and the metal member, or the cathode-side outer surface of the intermediate layer. A gap (40) formed between the peripheral surface and the metal member is gas-sealed,
The fracture mode transition portion has a through hole (31) penetrating the metal member and a portion (40 0 ) of the seal material entering the through hole.
in the fuel cell (1).

上記燃料電池は、上記構成を有している。そのため、上記燃料電池では、電池部品に反りが生じ、金属部材をシール部から引き剥がすように引き剥がし力が生じた場合において、引き剥がし力が引き剥がし強度を超えると、最初に、シール部と金属部材との界面端部から界面破壊が生じる。そして、界面破壊が進行していく、つまり、界面をき裂が進展していくと、途中で、き裂の先端が破壊形態遷移部に達し、界面破壊が一旦終了する(破壊形態遷移部において金属部材の剥がれが一旦止まる)。そして、シール部を構成するシール材料の許容応力値までは、巨視的なき裂の進展が止まり続け、シール部にかかる応力がシール材料の許容応力値を超えると、シール材料破壊が生じる。このように、上記燃料電池では、最初に生じた界面破壊が連続的に進んで最終破壊に至ってしまうことがなく、途中で、シール材料破壊が生じる。シール材料のシール材料破壊強度は、シール部と金属部材との間における界面破壊強度に比べて高い。そのため、上記燃料電池によれば、破壊形態遷移部を有さず、シール部において最初に生じた界面破壊のまま最終破壊に至ってしまう燃料電池に比べ、シール部の最終破壊を遅延させることが可能になる。 The fuel cell has the configuration described above. Therefore, in the above fuel cell, when the battery component is warped and a peeling force is generated so as to peel off the metal member from the sealing portion, when the peeling force exceeds the peeling strength, the sealing portion and the sealing portion are first separated. Interfacial failure occurs from the edge of the interface with the metal member. Then, as the interfacial fracture progresses, that is, as the crack propagates along the interface, the tip of the crack reaches the fracture mode transition part on the way, and the interfacial fracture is temporarily terminated (at the fracture mode transition part The peeling of the metal member stops temporarily). The macroscopic crack continues to stop growing up to the allowable stress value of the seal material forming the seal portion, and when the stress applied to the seal portion exceeds the allowable stress value of the seal material, the seal material breaks. As described above, in the fuel cell, the first interfacial failure does not progress continuously to the final failure, and the sealing material failure occurs during the process. The sealing material breaking strength of the sealing material is higher than the interfacial breaking strength between the seal portion and the metal member. Therefore, according to the above-mentioned fuel cell, it is possible to delay the final destruction of the sealing part compared to the fuel cell that does not have a destruction mode transition part and reaches the final destruction as the interfacial destruction that first occurs in the sealing part. become.

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 It should be noted that the symbols in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate the corresponding relationship with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. not a thing

実施形態1の燃料電池のセル面内方向に垂直な断面を模式的に示した説明図である。2 is an explanatory view schematically showing a cross section perpendicular to the cell in-plane direction of the fuel cell of Embodiment 1. FIG. 実施形態1の燃料電池を単セルのカソード側から見て模式的に示した説明図である。1 is an explanatory diagram schematically showing the fuel cell of Embodiment 1 as viewed from the cathode side of a single cell; FIG. 図2のIII-III線断面を模式的に示した説明図である。FIG. 3 is an explanatory view schematically showing a cross section taken along line III-III of FIG. 2; 実施形態2の燃料電池を図2に対応させて模式的に示した説明図である。3 is an explanatory view schematically showing the fuel cell of Embodiment 2 corresponding to FIG. 2; FIG. 図4のV-V線断面を模式的に示した説明図である。FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a cross section taken along the line VV of FIG. 4;

(実施形態1)
実施形態1の燃料電池について、図1~図3を用いて説明する。図1~図3に例示されるように、本実施形態の燃料電池1は、単セル2と、金属部材3と、シール部4と、破壊形態遷移部5と、を有している。
(Embodiment 1)
A fuel cell according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. As illustrated in FIGS. 1 to 3, the fuel cell 1 of this embodiment has a unit cell 2, a metal member 3, a seal portion 4, and a fracture mode transition portion 5. FIG.

単セル2では、電解質として固体電解質が用いられる。単セル2は、具体的には、図1に示されるように、固体電解質層20の一方面にアノード21および他方面にカソード22が配置された構成を有している。つまり、単セル2は、電解質として固体電解質を用いる固体電解質型の燃料電池である。本実施形態では、固体電解質層20を構成する固体電解質として、具体的には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックスが用いられる。固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。 A solid electrolyte is used as the electrolyte in the single cell 2 . Specifically, the single cell 2 has a structure in which an anode 21 is arranged on one side of a solid electrolyte layer 20 and a cathode 22 is arranged on the other side thereof, as shown in FIG. That is, the single cell 2 is a solid electrolyte fuel cell using a solid electrolyte as the electrolyte. In this embodiment, as the solid electrolyte forming the solid electrolyte layer 20, specifically, a solid oxide ceramic exhibiting oxygen ion conductivity is used. A fuel cell that uses solid oxide ceramics as a solid electrolyte is called a solid oxide fuel cell (SOFC).

本実施形態では、単セル2は、図1に示されるように、平板形の電池構造を有している。固体電解質層20の材料としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア等の酸化ジルコニウム系酸化物などが挙げられる。アノード21の材料としては、例えば、Ni、NiO等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物とを含む混合物などが挙げられる。カソード22の材料としては、例えば、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物等の遷移金属ペロブスカイト型酸化物と、セリアやセリア系固溶体とを含む混合物などが挙げられる。なお、単セル2は、固体電解質層20とカソード22との間に中間層(不図示)を有していてもよい。中間層は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。中間層の材料としては、例えば、セリアやセリア系固溶体などが挙げられる。 In this embodiment, the single cell 2 has a flat battery structure, as shown in FIG. Examples of materials for the solid electrolyte layer 20 include zirconium oxide-based oxides such as yttria-stabilized zirconia. Examples of the material of the anode 21 include a mixture containing a catalyst such as Ni or NiO and the zirconium oxide-based oxide. Materials for the cathode 22 include, for example, a mixture containing a transition metal perovskite oxide such as a lanthanum-strontium-cobalt-based oxide and ceria or a ceria-based solid solution. Note that the single cell 2 may have an intermediate layer (not shown) between the solid electrolyte layer 20 and the cathode 22 . The intermediate layer is mainly a layer for suppressing reaction between the solid electrolyte layer material and the cathode material. Examples of materials for the intermediate layer include ceria and ceria-based solid solutions.

本実施形態では、燃料電池1は、単セル2を支持する支持体6をさらに備えている。支持体6は、具体的には、金属板材より構成することができる。支持体6は、図1に示されるように、単セル2におけるアノード21の表面を支持するセル支持面部60を有する構成とすることができる。セル支持面部60は、後述する燃料ガス流路81と連通する複数の連通孔61を有している。この構成によれば、セル支持面部60によって単セル2を確実に支持しつつ、複数の連通孔61を通じてアノード21表面に燃料ガスFを供給することできる。なお、図示はしないが、支持体6は、他にも、開口部を有する枠状に形成されており、その開口部の外周縁にて単セル2を支持するよう構成することもできる。 In this embodiment, the fuel cell 1 further includes a support 6 that supports the unit cells 2 . Specifically, the support 6 can be made of a metal plate. As shown in FIG. 1, the support 6 can have a cell support surface portion 60 that supports the surface of the anode 21 in the single cell 2 . The cell support surface portion 60 has a plurality of communication holes 61 communicating with a fuel gas flow path 81, which will be described later. According to this configuration, the fuel gas F can be supplied to the surface of the anode 21 through the plurality of communication holes 61 while the single cell 2 is reliably supported by the cell support surface portion 60 . Although not shown, the support 6 may also be formed in a frame shape having an opening, and may be configured to support the single cell 2 at the outer peripheral edge of the opening.

金属部材3は、単セル2の周辺に配置されている。また、シール部4は、単セル2と金属部材3との間、具体的には、単セル2と金属部材3との間に形成される隙間40をガスシールするためのものである。したがって、金属部材3は、単セル2の周辺に配置されて、単セル2に接するシール部4に接している金属製の部材であるということができる。本実施形態では、具体的には、金属部材3は、単セル2の外周縁を支持体6に固定するための固定部材である。この種の固定部材は、リテーナ部材と称されることがある。 The metal member 3 is arranged around the single cell 2 . The seal portion 4 is for gas-sealing a gap 40 formed between the single cell 2 and the metal member 3 , more specifically, between the single cell 2 and the metal member 3 . Therefore, it can be said that the metal member 3 is a metal member that is arranged around the unit cell 2 and is in contact with the seal portion 4 that is in contact with the unit cell 2 . Specifically, in this embodiment, the metal member 3 is a fixing member for fixing the outer peripheral edge of the unit cell 2 to the support 6 . This type of fixing member is sometimes referred to as a retainer member.

なお、図1では、単セル2は、固体電解質層20の外形よりも小さい外形に形成されたカソード22を有しており、固体電解質層20のカソード22側の外周縁表面と金属部材3との間を、シール部4がガスシールしている例が示されている。単セル2が上述した中間層を有している場合には、シール部4は、中間層のカソード22側の外周縁表面と金属部材3との間をガスシールする構成とすることができる。また、図2では、カソード22側から単セル2の厚み方向に沿って見たとき、シール部4が、カソード22の外周を取り囲むように配置されている例が示されている。また、金属部材3と支持体6とは溶接されている。 In FIG. 1, the unit cell 2 has the cathode 22 formed to have an outer shape smaller than the outer shape of the solid electrolyte layer 20, and the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 20 on the cathode 22 side and the metal member 3 An example in which the seal portion 4 seals the space between is shown. When the single cell 2 has the above-described intermediate layer, the sealing portion 4 can be configured to seal the outer peripheral surface of the intermediate layer on the cathode 22 side and the metal member 3 with gas. In addition, FIG. 2 shows an example in which the seal portion 4 is arranged so as to surround the outer periphery of the cathode 22 when viewed along the thickness direction of the unit cell 2 from the cathode 22 side. Also, the metal member 3 and the support 6 are welded together.

金属部材3を構成する金属材料としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、耐熱Cr合金、耐熱NiCr合金、オーステナイト系ステンレス鋼などが挙げられる。なお、支持体6を構成する金属板材の材料も同様の金属材料を使用することができる。 Examples of the metal material forming the metal member 3 include ferritic stainless steel, heat-resistant Cr alloy, heat-resistant NiCr alloy, and austenitic stainless steel. A similar metal material can be used as the material of the metal plate material that constitutes the support 6 .

単セル2の外周縁を支持体6に固定するための固定部材としての金属部材3と単セル2との間の隙間40をガスシールするシール部4には、金属部材3と単セル2の熱膨張係数の違いに起因して、単セル2のセル面内方向の伸びによるせん断応力が発生しやすい。そのため、図3に例示されるシール部4と固定部材としての金属部材3との界面端部Aから界面破壊が生じやすい。しかし、このような場合であっても、燃料電池1によれば、シール部4の最終破壊を遅延させることが可能になる。 The sealing portion 4 for gas-sealing the gap 40 between the metal member 3 as a fixing member for fixing the outer peripheral edge of the unit cell 2 to the support 6 and the unit cell 2 has a gap 40 between the metal member 3 and the unit cell 2. Due to the difference in thermal expansion coefficient, shear stress is likely to occur due to elongation of the single cell 2 in the cell in-plane direction. Therefore, interface breakage is likely to occur from the interface end portion A between the seal portion 4 and the metal member 3 as the fixing member illustrated in FIG. 3 . However, even in such a case, according to the fuel cell 1, it is possible to delay the final destruction of the seal portion 4. FIG.

シール部4は、シール材料より構成されている。シール材料としては、例えば、ガラス系シール材、金属ロウ材などを例示することができる。 The seal portion 4 is made of a seal material. Examples of sealing materials include glass-based sealing materials and metal brazing materials.

破壊形態遷移部5は、金属部材3とシール部4との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊からシール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる部位である。なお、上記界面破壊では、金属部材3とシール部4との界面をき裂が進展することで、金属部材3とシール部4との剥離が生じる。また、上記シール材料破壊では、シール部4中をき裂が進展することで、シール部4自体の破壊が生じる。 The fracture mode transition portion 5 is a portion that changes the fracture mode from interface fracture to seal material fracture by the sealing material in the middle of interface fracture due to peeling from the interface between the metal member 3 and the seal portion 4 . In the above-described interfacial failure, separation between the metal member 3 and the seal portion 4 occurs as a crack develops in the interface between the metal member 3 and the seal portion 4 . Further, in the sealing material failure, the crack progresses in the seal portion 4, causing the seal portion 4 itself to be destroyed.

燃料電池1は、上記構成を有している。そのため、燃料電池1では、電池部品に反りが生じ、金属部材3をシール部4から引き剥がすように引き剥がし力が生じた場合において、引き剥がし力が引き剥がし強度を超えると、最初に、シール部4と金属部材3との界面端部Aから界面破壊が生じる。そして、界面破壊が進行していく、つまり、界面をき裂が進展していくと、途中で、き裂の先端が破壊形態遷移部5に達し、界面破壊が一旦終了する(破壊形態遷移部5において金属部材3の剥がれが一旦止まる)。そして、シール部4を構成するシール材料の許容応力値までは、巨視的なき裂の進展が止まり続け、シール部4にかかる応力がシール材料の許容応力値を超えると、シール材料破壊が生じる。このように、燃料電池1では、最初に生じた界面破壊が連続的に進んで最終破壊に至ってしまうことがなく、途中で、シール材料破壊が生じる。シール材料のシール材料破壊強度は、シール部4と金属部材3との間における界面破壊強度に比べて高い。そのため、燃料電池1によれば、破壊形態遷移部5を有さず、シール部4において最初に生じた界面破壊のまま最終破壊に至ってしまう燃料電池に比べ、シール部4の最終破壊を遅延させることが可能になる。 The fuel cell 1 has the above configuration. Therefore, in the fuel cell 1, when the battery component is warped and a peeling force is generated so as to peel the metal member 3 from the seal portion 4, if the peeling force exceeds the peeling strength, the seal is first removed. Interfacial failure occurs from the interface end A between the portion 4 and the metal member 3 . Then, as the interfacial fracture progresses, that is, as the crack propagates along the interface, the tip of the crack reaches the fracture mode transition portion 5 on the way, and the interfacial fracture is temporarily terminated (fracture mode transition portion 5, the peeling of the metal member 3 temporarily stops). The macroscopic crack continues to stop growing up to the allowable stress value of the seal material forming the seal portion 4, and when the stress applied to the seal portion 4 exceeds the allowable stress value of the seal material, the seal material breaks. As described above, in the fuel cell 1, the first interfacial failure does not progress continuously to the final failure, and the sealing material failure occurs on the way. The sealing material breaking strength of the sealing material is higher than the interfacial breaking strength between the seal portion 4 and the metal member 3 . Therefore, according to the fuel cell 1, the final breakage of the seal portion 4 is delayed as compared with the fuel cell that does not have the breakage mode transition portion 5 and reaches the final breakage with the interfacial breakage that first occurs in the seal portion 4. becomes possible.

破壊形態遷移部5は、具体的には、金属部材3を貫通する貫通穴31と、貫通穴31に入り込んだシール材料の一部40と、を有している。金属部材3に貫通穴31を形成することは、ガスリーク箇所を増やすことにつながるため、通常であれば、このような貫通穴31を金属部材2に形成することはない。しかし、上記構成によれば、金属部材3に貫通穴31を形成し、この貫通穴31にシール部4のシール材料を入り込んだ状態(貫通穴31にシール材料が充填された状態ということもできる)とすることで、ガスリークを抑制しつつ、シール部4の最終破壊を遅延させることが可能になる。なお、このような構造は、単セル2と金属部材3の間の隙間40にシール材料を配置した後、熱処理し、シール材料を溶融、流動させて一部を貫通穴31内に入れることなどによって形成することができる。 The fracture mode transition portion 5 specifically has a through hole 31 penetrating the metal member 3 and a portion 400 of the sealing material entering the through hole 31 . Forming the through holes 31 in the metal member 3 leads to an increase in the number of gas leak locations, so normally such through holes 31 are not formed in the metal member 2 . However, according to the above configuration, the through hole 31 is formed in the metal member 3, and the through hole 31 is filled with the sealing material of the sealing portion 4 (it can also be said that the through hole 31 is filled with the sealing material). ), it is possible to delay the final destruction of the seal portion 4 while suppressing gas leakage. In addition, such a structure can be obtained by disposing a sealing material in the gap 40 between the single cell 2 and the metal member 3 and then heat-treating the sealing material to melt and flow the sealing material so that a part of the sealing material is put into the through hole 31 . can be formed by

なお、貫通穴31の形状は特に限定されない。また、金属部材3は、少なくとも1つ貫通穴31を有することができる。本実施形態では、図2に例示されるように、金属部材3が複数の貫通穴31を有している例が示されている。また、カソード22の外周を取り囲むようにシール部4が配置されており、かつ、金属部材3が複数の貫通穴31を有している場合、複数の貫通穴31は、カソード22の外周を取り囲むように配置することができる。この構成によれば、カソード22の外周のいずれの位置から界面破壊が生じた場合でも、破壊形態遷移部5の機能を発現させやすい。 Note that the shape of the through hole 31 is not particularly limited. Also, the metal member 3 can have at least one through hole 31 . In this embodiment, as illustrated in FIG. 2, an example in which the metal member 3 has a plurality of through holes 31 is shown. Further, when the seal portion 4 is arranged so as to surround the outer periphery of the cathode 22 and the metal member 3 has a plurality of through holes 31, the plurality of through holes 31 surround the outer periphery of the cathode 22. can be arranged as According to this configuration, even when interfacial failure occurs from any position on the outer circumference of the cathode 22, the function of the failure mode transition portion 5 can be easily exhibited.

燃料電池1は、図3に例示されるように、シール部4側とは反対側の金属部材3の面に、貫通穴31に入り込んだシール材料の一部40が露出してなるシール露出部41を有する構成とすることができる。この構成によれば、金属部材3をシール部4から引き剥がす引き剥がし力がシール材料の一部40に負荷されやすくなり、上述した作用効果を確実なものとしやすくなる。この際、シール露出部41が貫通穴31から突出した状態とされている場合には、上述した作用効果をより確実なものとしやすくなる。なお、図2では、シール材料、シール露出部41は省略されている。 As illustrated in FIG. 3, the fuel cell 1 has an exposed seal portion 400 of the seal material that has entered the through hole 31 on the surface of the metal member 3 opposite to the seal portion 4 side. A configuration having a portion 41 can be employed. According to this configuration, a peeling force for peeling off the metal member 3 from the seal portion 4 is easily applied to the portion 400 of the sealing material, and the above-described effects can be easily ensured. At this time, when the seal exposed portion 41 is in a state of protruding from the through hole 31, it is easier to ensure the above-described effects. 2, the sealing material and the exposed seal portion 41 are omitted.

また、シール露出部41の最大径は、貫通穴31の最小穴径以上、より好ましくは、貫通穴31の最小穴径より大きい構成とすることができる。この構成によれば、引き剥がし力が作用した場合に、シール露出部41が貫通穴31をすり抜けてしまうのを抑制しやすくなる。その結果、シール部4と金属部材3との間のピール強度(剥離強度)が向上する。そのため、この構成によれば、シール部4の最終破壊を遅延させやすい燃料電池1が得られる。 Also, the maximum diameter of the seal exposed portion 41 can be configured to be equal to or larger than the minimum hole diameter of the through hole 31 , more preferably larger than the minimum hole diameter of the through hole 31 . According to this configuration, it becomes easier to prevent the seal exposed portion 41 from slipping through the through hole 31 when a peeling force acts. As a result, the peel strength (peeling strength) between the seal portion 4 and the metal member 3 is improved. Therefore, according to this configuration, it is possible to obtain the fuel cell 1 in which the final breakage of the seal portion 4 is likely to be delayed.

貫通穴31は、穴周縁に突起部311を有しており、突起部311は、先端部がシール部4側となるように配置されている構成とすることができる。この構成によれば、突起部311の先端部がシール部4を構成するシール材料に食い込んだ状態となる。その結果、シール部4と金属部材3との間のピール強度が向上する。そのため、この構成によれば、シール部4の最終破壊を遅延させやすい燃料電池1が得られる。 The through-hole 31 has a protrusion 311 on the periphery of the hole, and the protrusion 311 can be arranged so that the tip thereof faces the seal section 4 side. According to this configuration, the tip of the protrusion 311 bites into the sealing material forming the sealing portion 4 . As a result, the peel strength between the seal portion 4 and the metal member 3 is improved. Therefore, according to this configuration, it is possible to obtain the fuel cell 1 in which the final breakage of the seal portion 4 is likely to be delayed.

本実施形態では、図3に例示されるように、突起部311は、具体的には、穴周縁に形成されたバリより構成することができる。この構成によれば、金属部材3に打ち抜き加工(パンチング加工)等によって貫通孔311を形成した際に形成されるバリを、突起部311としてそのまま利用することができる。そのため、この構成によれば、貫通穴31の形成時にバリ取り加工しなくても済むため、燃料電池1の製造性を向上させることができる。 In this embodiment, as exemplified in FIG. 3, the protrusion 311 can be specifically composed of a burr formed on the periphery of the hole. According to this configuration, burrs formed when the through holes 311 are formed in the metal member 3 by punching or the like can be used as the protrusions 311 as they are. Therefore, according to this configuration, since it is not necessary to remove burrs when forming the through hole 31, the manufacturability of the fuel cell 1 can be improved.

本実施形態では、支持体6に支持された単セル2が金属部材3にて固定された状態の燃料電池1と、セパレータ7とを交互に積層することにより、セルスタックを構成することができる。なお、アノード21に燃料ガスFを供給するための燃料ガス流路81は、支持体6とセパレータ7との間に形成することができる。また、カソード22に酸化剤ガス(不図示)を供給するための酸化剤ガス流路(不図示)は、カソード22とセパレータ7(図1ではカソード22側のセパレータ7は不図示)との間に形成することができる。 In this embodiment, a cell stack can be configured by alternately stacking the fuel cells 1 in which the unit cells 2 are supported by the supports 6 and fixed by the metal members 3, and the separators 7. . A fuel gas channel 81 for supplying the fuel gas F to the anode 21 can be formed between the support 6 and the separator 7 . An oxidant gas flow path (not shown) for supplying an oxidant gas (not shown) to the cathode 22 is provided between the cathode 22 and the separator 7 (the separator 7 on the cathode 22 side is not shown in FIG. 1). can be formed into

(実施形態2)
実施形態2の燃料電池について、図4、図5を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
A fuel cell according to Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. It should be noted that, of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the previously described embodiments represent the same components and the like as those in the previously described embodiments, unless otherwise specified.

図4、図5に例示されるように、本実施形態の燃料電池1において、貫通穴31は、穴周縁に突起部311を有しており、突起部311は、先端部がシール部4側となるように配置されている。 As exemplified in FIGS. 4 and 5, in the fuel cell 1 of the present embodiment, the through hole 31 has a projection 311 on the periphery of the hole. are arranged so that

本実施形態では、図4、図5に例示されるように、突起部311は、具体的には、穴周縁に形成された突片より構成することができる。突片は、例えば、金属部材3に形成した切込み(例えば、「コ」の字状、「U」の字状、「V」の字状などの切込み)をシール部3側へ起こす切り起こし加工等によって比較的簡易に形成することができる。この構成によれば、突起部311がバリによって構成されている場合に比べ、突起部311の先端部の方向をシール部4側における所望の方向に自由に向けやすい。また、図4、図5に例示されるように、突起部311の先端部をカソード22側に向けるように構成した場合には、シール部4と金属部材3との間のピール強度を向上させやすくなる。その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。 In this embodiment, as exemplified in FIGS. 4 and 5, the protrusion 311 can be specifically composed of a projecting piece formed on the periphery of the hole. The projecting piece is formed by, for example, cutting and raising a cut formed in the metal member 3 (for example, a cut in the shape of "U", "U", or "V") toward the seal portion 3. It can be formed relatively easily by, for example. According to this configuration, the direction of the tip portion of the protrusion 311 can be freely oriented in a desired direction on the seal portion 4 side, as compared with the case where the protrusion 311 is formed of burrs. Moreover, as illustrated in FIGS. 4 and 5, when the tip of the protrusion 311 is directed toward the cathode 22, the peel strength between the seal portion 4 and the metal member 3 is improved. easier. Other configurations and effects are the same as those of the first embodiment.

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

1 燃料電池
2 単セル
3 金属部材
4 シール部
5 破壊形態遷移部
1 fuel cell 2 single cell 3 metal member 4 sealing portion 5 fracture mode transition portion

Claims (5)

電解質に固体電解質を用いる単セル(2)と、
上記単セルの周辺に配置される金属部材(3)と、
シール材料より構成されており、上記単セルと上記金属部材との間をガスシールするシール部(4)と、
上記金属部材と上記シール部との界面からの剥がれによる界面破壊の途中で当該界面破壊から上記シール材料によるシール材料破壊となるよう破壊形態を変化させる破壊形態遷移部(5)と、を有しており、
上記単セルは、固体電解質層(20)の一方面にアノード(21)および他方面にカソード(22)が配置されており、かつ、上記カソードは上記固体電解質層の外形よりも小さい外形に形成されている、または、上記固体電解質層の一方面に上記アノードおよび他方面に上記カソードが配置されるとともに上記固体電解質層と上記カソードとの間に中間層を有しており、かつ、上記カソードは上記中間層の外形よりも小さい外形に形成されており
上記シール部は、上記固体電解質層の上記カソード側の外周縁表面と上記金属部材との間に形成される隙間(40)をガスシールしている、または上記中間層の上記カソード側の外周縁表面と上記金属部材との間に形成される隙間(40)をガスシールしており、
上記破壊形態遷移部は、上記金属部材を貫通する貫通穴(31)と、上記貫通穴に入り込んだシール材料の一部(40)と、を有している、
燃料電池(1)。
A single cell (2) using a solid electrolyte as the electrolyte;
a metal member (3) arranged around the single cell;
a sealing part (4) made of a sealing material for gas-sealing between the single cell and the metal member;
and a fracture mode transition section (5) that changes the fracture mode from the interface fracture to the seal material fracture due to the seal material in the middle of the interface fracture due to peeling from the interface between the metal member and the seal portion. and
The single cell has an anode (21) on one side of a solid electrolyte layer (20) and a cathode (22) on the other side , and the cathode is formed to have a smaller outer shape than the solid electrolyte layer. Alternatively, the anode is arranged on one side of the solid electrolyte layer and the cathode is arranged on the other side, and an intermediate layer is provided between the solid electrolyte layer and the cathode, and the cathode is formed to have a smaller outer shape than the outer shape of the intermediate layer ,
The sealing portion gas seals a gap (40) formed between the cathode-side outer peripheral surface of the solid electrolyte layer and the metal member, or the cathode-side outer surface of the intermediate layer. A gap (40) formed between the peripheral surface and the metal member is gas-sealed,
The fracture mode transition portion has a through hole (31) penetrating the metal member and a portion (40 0 ) of the seal material entering the through hole.
Fuel cell (1).
上記シール部側とは反対側の上記金属部材の面に、上記貫通穴に入り込んだシール材料の一部が露出してなるシール露出部(41)を有する、請求項1に記載の燃料電池。 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the surface of the metal member opposite to the seal portion has a seal exposed portion (41) in which a portion of the seal material that has entered the through hole is exposed. 上記シール露出部の最大径が、上記貫通穴の最小穴径以上である、請求項2に記載の燃料電池。 3. The fuel cell according to claim 2, wherein the maximum diameter of the exposed seal portion is equal to or greater than the minimum diameter of the through hole. 上記貫通穴は、穴周縁に突起部(311)を有しており、
上記突起部は、先端部が上記シール部側となるように配置されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の燃料電池。
The through hole has a protrusion (311) on the periphery of the hole,
4. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the protruding portion is arranged so that the tip thereof faces the seal portion.
上記単セルを支持する支持体(6)をさらに備え、
上記金属部材は、上記単セルの外周縁を上記支持体に固定するための固定部材である、請求項1~4のいずれか1項に記載の燃料電池。
further comprising a support (6) that supports the single cell,
5. The fuel cell according to claim 1, wherein said metal member is a fixing member for fixing the outer peripheral edge of said unit cell to said support.
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