电池单元、电池堆装置、模块以及模块收纳装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池单元、电池堆装置、模块以及模块收纳装置。
【背景技术】
[0002]近年来，作为下一代能源，提出了各种各样的燃料电池装置，所述燃料电池装置中将使多个固体氧化物型燃料电池单元串联电连接而成的电池堆装置容纳于收纳容器内。
[0003]作为这样的燃料电池装置的固体氧化物型燃料电池单元，例如提出了如下固体氧化物型燃料电池单元:具备具有相互平行的一对平坦面并在内部具有用于使燃料气体流通的燃料气体通路的支承体，在该支承体的一侧的平坦面上依次层叠燃料极层、固体电解质层、氧极层，在另一侧的平坦面上层叠连接体层而成(例如参见专利文献1)。另外，除此以夕卜，还提出了被称为圆筒型或横缟型的燃料电池单元。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2008-84716号公报
【发明内容】
[0007]发明所要解决的问题
[0008]如上所述，提出了各种类型的燃料电池单元，近年来，固体电解质层的厚度越薄，则离子导电性越提高，燃料电池单元的发电性能越提高，因此为了提高发电性能而进行使固体电解质层的厚度变薄。另一方面，为了提高发电性能而使固体电解质层的厚度变薄时，基于固体电解质层的强度提高效果降低，燃料电池单元中有可能产生裂纹。
[0009]本发明的目的在于提供能够抑制裂纹产生的电池、电池堆装置、模块以及模块收纳装置。
[0010]用于解决问题的手段
[0011]本发明的电池单元具有依次层叠有兼作筒状支承体的第一电极层、固体电解质层和第二电极层的元件部，上述固体电解质层的主要成分为氧化物，该氧化物含有稀土元素，并且上述固体电解质层的厚度为30 μm以下，而且上述固体电解质层具有未设置上述第二电极层的部位，在该未设置第二电极层的部位具备第一层，所述第一层含有与上述固体电解质层的主要成分为相同的氧化物但稀土元素的含量不同的主要成分，并且所述第一层的强度比上述固体电解质层高。
[0012]另外，本发明的电池单元的特征在于，在绝缘性且筒状的支承体上具有多个依次层叠有第一电极层、固体电解质层和第二电极层的元件部，上述固体电解质层的主要成分为氧化物，该氧化物含有稀土元素，并且上述固体电解质层的厚度为30 μ m以下，而且上述固体电解质层具有未设置上述第二电极层的部位，在该未设置第二电极层的部位具备第一层，所述第一层含有与上述固体电解质层的主要成分为相同的氧化物但稀土元素的含量不同的主要成分，并且所述第一层的强度比上述固体电解质层高。
[0013]另外，本发明的电池单元的特征在于，在具有一对主面的筒状支承体的一侧主面，具有依次层叠有第一电极层、固体电解质层和第二电极层的元件部，上述固体电解质层的主要成分为氧化物，该氧化物含有稀土元素，并且上述固体电解质层的厚度为30 μm以下，而且上述固体电解质层具有未设置上述第二电极层的部位，在该未设置第二电极层的部位具备第一层，所述第一层含有与上述固体电解质层的主要成分为相同的氧化物但稀土元素的含量不同的主要成分，并且所述第一层的强度比上述固体电解质层高。
[0014]本发明的电池堆装置的特征在于，其是具备多个上述电池单元，并且将该多个电池单元电连接而成的。
[0015]本发明的模块的特征在于，其是在收纳容器内收纳上述电池堆装置而成的。
[0016]本发明的模块收纳装置的特征在于，其是在外部安装壳内收纳上述模块和用于使该模块工作的辅助设备而成的。
[0017]发明效果
[0018]本发明的电池单元中，由于固体电解质层的厚度薄至30 μπι以下，因此能够提高电池单元的性能，并且能够增强比第一层薄的固体电解质层，能够防止电池单元中的裂纹的产生。由此，能够提供性能高、长期可靠性高的电池堆装置、模块、模块收纳装置。
【附图说明】
[0019]图1表示圆筒型固体氧化物型燃料电池单元和横缟型固体氧化物型燃料电池单元的一例，其中，(a)为局部剖切后的立体图、(b)为纵截面图、(c)为立体图、(d)为一端侧的纵截面图。
[0020]图2表示中空平板型固体氧化物型燃料电池单元，其中，(a)为横截面图、(b)为一个端部侧的横截面图、(c)为从氧极层侧观察的侧视图。
[0021]图3表示中空平板型固体氧化物型燃料电池单元，其中，(a)?(g)是表示固体电解质层中的第一层的例子的侧视图。
[0022]图4表示在支承体的一侧主面设置有第一层、在另一侧主面设置有第二层的中空平板型固体氧化物型燃料电池单元，其中，(a)为横截面图、(b)为从连接体层侧观察(a)的侧视图。
[0023]图5表示中空平板型固体氧化物型燃料电池单元，其中，(a)?(c)是表示第二层的例子的侧视图。
[0024]图6表示电池堆装置的一例，其中，(a)为示意性表示电池堆装置的侧视图、(b)为将(a)的电池堆装置的以虚线围成的部分的一部分放大表示的截面图。
[0025]图7中，(a)是表示使用接合材料将图3(a)的电池固定于气体罐的状态的侧视图、(b)是表示将图3(d)的电池固定于气体罐的状态的侧视图、(c)是表示将图3(e)的电池固定于气体罐的状态的侧视图、(d)是表示将图3(f)的电池固定于气体罐的状态的侧视图。
[0026]图8中，(a)是表示使用接合材料将图5(a)的电池固定于气体罐的状态的侧视图、(b)是表示将图5(b)的电池固定于气体罐的状态的侧视图、(c)是表示将图5(c)的电池固定于气体罐的状态的侧视图。
[0027]图9是表示燃料电池模块的一例的外观立体图。
[0028]图10是省略燃料电池装置的一部分后表示的立体图。
【具体实施方式】
[0029]图1表示圆筒型固体氧化物型燃料电池单元和横缟型固体氧化物型燃料电池单元(以下，有时简称为燃料电池单元)的一例，(a)为局部剖切后的立体图、(b)为纵截面图、(c)为立体图、(d)为一端侧的纵截面图；图2表示中空平板型固体氧化物型燃料电池单元，(a)为其横截面图、(b)为一端部侧的横截面图、(c)为从氧极层侧观察的侧视图。需要说明的是，图中，将燃料电池单元100、200、300的各构成的一部分放大表示。以下，对于相同构成使用相同符号进行说明。首先，以下对各燃料电池单元的构成进行说明。
[0030]图1 (a)、(b)所示的燃料电池单元100表示所谓的圆筒型燃料电池单元的一例，在兼作筒状支承体的多孔质燃料极层(第一电极层)3上依次层叠致密的固体电解质层4、多孔质的氧极层(第二电极层)6而形成圆筒状。需要说明的是，燃料极层3的内侧形成燃料气体流动的燃料气体通路2，沿长度方向L设置。
[0031]固体电解质层4优选由具有阻气性的陶瓷构成且厚度为30 μπι以下，从提高发电性能的观点出发特别优选为20 μm以下、进一步优选为15 μm以下。
[0032]该圆筒型燃料电池单元100中，该燃料极层3、固体电解质层4和氧极层6所重叠的部位作为进行发电的元件部a发挥功能。S卩，在氧极层6的外侧流有空气等含氧气体、并且在燃料气体通路2中流有燃料气体(含氢气体)，加热至规定工作温度，由此进行发电。
[0033]另外，如图1(b)所示，在本实施方式中，在燃料电池单元100的一个端部(下端部)和另一端部(上端部)未设置氧极层6。S卩，固体电解质层4的未设置氧极层6的部位位于兼作支承体的燃料极层3的一个端部和另一端部。并且，在未设置氧极层6的该一个端部设置有后述的第一层7。
[0034]图1 (c)、(d)所示的燃料电池单元200表示所谓的横缟型燃料电池单元的一例，其具备截面为扁平状且整体上观察时呈椭圆筒状体(换言之，为椭圆柱状)的绝缘性支承体1。在支承体1的内部以适当的间隔形成有多个在燃料电池单元300的长度方向L上贯通的燃料气体通路2。
[0035]根据图1(c)所示的形状可以理解，支承体1由相互平行的一对平坦面η和分别连接一对平坦面η的弧状面(侧面)m构成。平坦面η的两面相互大致平行地形成，以多孔质的燃料极层3、致密的固体电解质层4以及多孔质的氧极层6为一组，在各平坦面η上相邻地设置有多组，它们通过致密的连接体层8被电连接。需要说明的是，该燃料极层3、固体电解质层4和氧极层6所重叠的部位作为进行发电的元件部a发挥功能。即，在氧极层6的外侧流有空气等含氧气体、并且在支承体1内的燃料气体通路2中流有燃料气体(含氢气体)，加热至规定的工作温度，由此进行发电。需要说明的是，作为固体电解质层4，厚度优选为30 μm以下，从提高发电性能的观点出发特别优选为20 μm以下、进一步优选为15 μπι以下。
[0036]另外，对于未设置上述各组的部位，为了防止流经燃料气体通路2的气体泄露至外部，设置有由具有阻气性的陶瓷构成的固体电解质层4。S卩，构成为通过固体电解质层4和连接体层8使得流通内部的燃料气体不会漏出至外部。
[0037]另外，图1 (d)中示出了在绝缘性支承体1上使燃料极层3和氧极层6各自为1层的例子，但各自也可以由两层以上构成，另外，燃料极层3也可以是至少其一部分嵌入支承体1中的形态。
[0038]在该横缟型燃料电池单元200中，如图1 (d)所示，在燃料电池单元200的一个端部(下端部)未设置氧极层6。S卩，固体电解质层4的未设置氧极层6的部位位于支承体1的一个端部。并且，在未设置氧极层6的该一端部设置有后述的第一层7。
[0039]图2表示中空平板型燃料电池单元300的一例，(a)为其横截面图、(b)为一端部侧的横截面图、(c)为从氧极层侧观察的侧视图。
[0040]图2所示的燃料电池单元300为中空平板型，具备截面为扁平状且整体上观察时呈椭圆筒状体(换言之，为椭圆柱状)的导电性支承体1。在支承体1的内部以适当的间隔形成有多个在燃料电池单元300的长度方向L上贯通的燃料气体通路2，燃料电池单元300具有在该支承体1上设置有各种部件的结构。
[0041]根据图2(a)所示的形状可以理解，图2所示的燃料电池单元300中，支承体1由相互平行的一对平坦面η和分别连接一对平坦面η的弧状面(侧面)m构成。平坦面η的两面相互大致平行地形成，以将一个平坦面η ( 一侧主面:下表面)和两侧的弧状面m覆盖的方式配置有多孔质的燃料极层(第一电极层)3，进一步，以覆盖该燃料极层3的方式配置有由具有阻气性的陶瓷构成的厚度30 μπι以下的固体电解质层4。从提高发电性能的观点出发，固体电解质层4的厚度特别优选为20 μm以下、进一步优选为15 μπι以下。
[0042]另外，在固体电解质层4的表面隔着中间层9以与燃料极层3面对的方式配置有多孔质的氧极层(第二电极层)6。中间层9被形成在形成有氧极层6的固体电解质层4上。需要说明的是，虽然未图示，但在图1所示的圆筒型燃料电池单元100、横缟型燃料电池单元200中也可以同样地设置有中间层9。
[0043]在未层叠氧极层6的另一个平坦面η (另一侧主面:上表面)形成有由具有阻气性的导电性陶瓷构成的连接体层8。