JP2005294153A - 燃料電池のマニホールド機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いガスシール性を有し、且つ、耐熱サイクルに優れる信頼性の高いマニホールド機構を提供する。
【解決手段】 固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セル５と内部に反応用ガスの通路９、１０を有するセパレータ８を交互に複数積層して構成した燃料電池スタック１と、セパレータ８の厚さ方向に設けたガス導入孔１３、１４を介してガス通路９、１０に連通する絶縁性のマニホールドリング１５、１６を備えている。このマニホールドリング１５、１６は、複数の絶縁性リング部材を同心状に組み合わせた多重構造を有する。本構成では、一部のリング部材に割れが生じても、他の正常なリング部材の存在によってシール性は確実に確保されており、ガス漏れが生じる心配はない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層構造を有する燃料電池に関し、特に、シール性の向上を図った燃料電池のマニホールド機構に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層されることにより、燃料電池スタックを構成している。

例えば、一般的に固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータはステンレス等で構成されている。

また、固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質とされている。
空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。

ところで、燃料電池では、外部より反応ガスを導入し、積層された発電セルの各々に分配するガス供給機構として、燃料スタックの内部にマニホールドを備えている。このマニホールドは、マニホールドリングと呼ばれるリング部材を各セパレータ間に介在し各々を接合しながら積層方向に延設した管状体であり、燃料ガス導入用と酸化剤ガス導入用の二系統から成る。

これらのマニホールド内を流通する反応用ガスは、各積層毎にセパレータとの接合部分で分配させられ、セパレータに設けたガス通路を通して発電セルの電極層に供給されるようになっている。このため、マニホールドリングとセパレータとの連結部分はガス漏れを生じない高いシール性（気密性）が要求されており、また、マニホールドを配設することにより各セパレータ同士が機械的に接触して電気的に短絡しないよう、個々のマニホールドリングには確実な電気絶縁性が要求されている。
このようなマニホールド機構は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。
特開平７−２０１３５３号公報 特開平８−２７９３６４号公報

ところで、マニホールド機構に高いシール性と確実な電気絶縁性が要求されていることは既述の通りである。従来、セパレータ間の絶縁性を確保するものとして、セラミックス製のマニホールドリングを使用し、且つ、ガス漏れしないようセパレータとの接合部分をガラス材にてシールする機構が採られているが、金属製のセパレータとこのセラミックス製のマニホールドリングでは熱膨張率に大きな差があるため、燃料電池作動時の昇降温の繰り返し（熱サイクル）時に、その熱膨脹差で生じる応力や、スタック化で生じる荷重でマニホールドリングが破損したり、接合部分に剥離が生じたりするという問題が有り、且つ、シール部にあっては、燃料電池の作動温度おいてガラス材が溶融した液シールを行うため、シール性に問題を残していた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたもので、燃料電池の熱サイクルに対して優れた耐久性と高いガスシール性を有する燃料電池のマニホールド機構を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと内部に反応用ガスの通路を有するセパレータを交互に複数積層して構成した燃料電池スタックと、前記セパレータの厚さ方向に設けたガス導入孔を介して前記ガス通路に連通する絶縁性のマニホールドリングを備え、前記セパレータのガス通路を通して各電極層に反応用のガスを供給するように構成した燃料電池のマニホールド機構において、前記マニホールドリングは、絶縁性のリング部材を複数同心状に組み合わせた多重構造を有することを特徴としている。
本構成では、複数の絶縁性リング部材を用いた多重構造とすることにより、セパレータ間の電気絶縁性は確実に得られると共に、一部のリング部材に割れが生じても、割れのない他のリング部材によってシール性は確実に確保されており、ガス漏れが生じる心配はない。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池のマニホールド機構において、前記マニホールドリングを構成する複数のリング部材は、全て同一材料にて構成されていることを特徴としている。
複数のリング部材を同一材料で構成することにより、各リング部材の熱膨張を無くすことができる。これにより、熱サイクル時の熱応力を回避し、各リング部材の割れを防止できる。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池のマニホールド機構において、前記マニホールドリングが接するセパレータの表面部位に、当該マニホールドリングの位置決用となる凹部を設けたことを特徴としている。
発電セルの積層工程において、マニホールドリングを容易に、且つ、正確に位置決め・配置できることから、燃料電池スタックの組立が簡素化され、組立工数の低減が図れると共に、マニホールドリングの位置ズレを回避し、ガス漏れによる電池性能の低下を防止できる。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池のマニホールド機構において、前記セパレータに接する前記マニホールドリングの表面部位に大きな流路抵抗を奏する細かな溝を複数形成したことを特徴としている。
この細かな溝による差圧効果で、セパレータとマニホールドリングの接触部分に高いガスシール性（気密性）が得られるようになる。

以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、マニホールドリングは、複数の絶縁性リングを同心状に組み合わせた多重構造としたので、複数のリング部材の内の一部のリング部材に割れが生じても、割れの生じていない他のリング部材の存在によってマニホールドのシール性は確実に確保されており、ガス漏れが生じる心配はない。

また、請求項２に記載の発明によれば、マニホールドリングを構成する複数のリング部材は、全て同一材料にて構成したので、熱サイクルにおける各リング部材の熱膨張差を無くすことができ、これにより、熱応力による各リング部材の割れを防止し、厳しい熱サイクルに耐え得るマニホールドリングを構成することができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、マニホールドリングが接するセパレータの表面部位に凹部を設けたので、スタック化の際の各マニホールドリングの位置決めが容易に、且つ、正確に行えるようになり、燃料電池スタックの組立が簡素化され工数の低減が図れると共に、マニホールドリングの位置ズレを回避し、ガス漏れによる電池性能の低下を防止できるようになる。

また、請求項４に記載の発明によれば、セパレータと接するマニホールドリングの表面部位に細かな溝を複数形成したので、この溝による差圧効果により、セパレータとマニホールドリングの接触部分に高いシール性が得られる。

以下、図面に基づいて本発明に係る燃料電池の実施形態を説明する。

図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図、図２は図１のII−II断面図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成した単セルを、間に絶縁性の燃料用マニホールドリング１５と酸化剤用マニホールドリング１６を介在して多数積層したものである。尚、単セルを構成する各部材は、従来と同様のものが使用できる。

ここで、セパレータ８は、表面に酸化防止のためのＡｇメッキ処理等を施した厚さ数ｍｍ程度の四角状ステンレス板（本実施形態ではステンレス板２枚の張り合わせ構造としている）で構成されており、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路９と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路１０が形成されている。但し、図１に示すように、最下部に位置するセパレータ８については、燃料ガス通路９のみが形成され、最上部のセパレータ８には、酸化剤ガス通路１０のみが形成されている。

燃料ガス通路９の一端は、セパレータ８の左端中央部に設けた燃料ガス導入孔１３に連通しており、他端が前記燃料極集電体６と対面するセパレータ中央のガス吐出孔１１に連通している。また、酸化剤ガス通路１０の一端は、セパレータ８の右端中央部に設けた燃料ガス導入孔１４に連通しており、他端が前記空気極集電体７と対面するセパレータ中央部のガス吐出孔１２に連通している。これらガス導入孔１３、１４は楕円形状を成している。
尚、最上部のセパレータ８には酸化剤ガス導入孔１４のみ形成されており、且つ、この酸化剤ガス導入孔１４は下側にのみ開口している。上下端を除く部分の各ガス導入孔１３、１４は何れも板厚方向に貫通するものである。
また、最下部のセパレータ８は、外部からの反応用ガスを導入するためのガス導入通路２４、２５を有し、その分板厚は厚く、この内、燃料ガスが供給される燃料ガス導入路２５は前記燃料ガス導入孔１３に連通し、酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス導入路２４は前記酸化剤ガス導入孔１４に連通している。

前記燃料ガス導入孔１３の開口部には燃料ガスが流通する燃料用マニホールドリング１５が配設され、前記酸化剤ガス導入孔１４の開口部には酸化剤ガスが流通する酸化剤用マニホールドリング１６が配設されている。単セルを積み上げてスタック化することにより、これら多数のマニホールドリング１５、１６がセパレータ８の各ガス導入孔１３、１４を介して縦方向（積層方向）に連結されて管状のマニホールドが形成されるようになっている。但し、最上部に位置するセパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４については貫通孔とせず、既述したように下側にのみ開口する孔構造と成している。この二本のマニホールドには、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通する。

また、図２に示すように、これらのガス導入孔１３、１４の開口縁部には、各マニホールドリング１５、１６をセパレータ面上に正しく位置決するための楕円形状の凹部１７が形成されている。凹部１７を設けることにより、相互の位置ズレを無くして各ガス導入孔１３、１４と各マニホールドリング１５、１６を配置でき、スタック化を容易に行える。位置ズレを無くすことにより、セパレータ８と各マニホールドリング１５、１６の接合部のシール性は向上し、ガス漏れは完全に防止できる。

前記燃料用マニホールドリング１５および酸化剤用マニホールドリング１６は、図３（ａ）に示すように、各々ガス導入孔１３、１４の開口形状に合わせた楕円形状となっている。
各ガス流路を楕円形状としたのは、セパレータ８の長手サイズを延長せずに、円形の場合に比してガス流路体積を大きくできることと、単セル積層時のズレや傾きに対する各ガス導入孔１３、１４と各マニホールドリング１５、１６との整合性をより良好にできること等の理由によるが、全て円形に統一しても勿論構わない。

これらマニホールドリング１５（１６）は、図３（ｂ）に示すように、何れも合計３個のリング部材１５ａ〜１５ｃ（１６ａ〜１６ｃ）を同心状に嵌め合わせて構成した３重構造のリング体であって、リング材として、比較的熱膨張率が低く、且つ、電気絶縁性、耐熱衝撃性等に優れるセラミック（例えば、アルミナ）を用い、セパレータ間の電気絶縁性を確保している。

加えて、多重リング構造あれば、その内の１個、もしくは２個のリング部材に割れが生じても、割れの生じていないリング部材の存在によってマニホールドリング１５（１６）としてのシール性は確実に確保されており、割れの生じたリング部材の割れ目からマニホールドの外部にガスが漏れでる心配はない。
また、全てのリング部材１５ａ〜１５ｃ（１６ａ〜１６ｃ）をアルミナのような絶縁性の同一材料で構成することにより、熱サイクル時における各リング部材の熱膨張差を無くすことができ、これにより、熱応力による各リング部材１５ａ〜１５ｃ（１６ａ〜１６ｃ）の割れが防止でき、厳しい熱サイクルに耐え得るマニホールドリング１５（１６）を構成することができる。

また、図４に示すように、図３に示したマニホールドリング１５（１６）において、セパレータ８と接触する表面部位に細かな溝１８（図４では、溝部分を強調してある）を多数形成すると良い。
マニホールドリング１５（１６）の接触面に設けた細かな溝１８は大きな流路抵抗を有しているため、各マニホールド内に反応用のガスが導入されても溝１８による差圧効果で溝内にガスが流れ込むことはなく、セパレータ８と各マニホールドリング１５（１６）との接触面でのガス漏れが防止され、平滑な面同士が接触する場合に比べて接触部分のガスシール性をより高いものにできる。

次に、図５は本実施形態のマニホールド機構を用いた燃料電池スタックの組立を示している。

組立の際は、セパレータ８の燃料ガス導入孔１３の開口部に燃料用マニホールドリング１５を配置し、酸化剤ガス導入孔１４の開口部に酸化剤用マニホールドリング１６を配置しながら、順次単セルを積層していく。
組み上げた燃料電池スタック１は、各セパレータ８の角部に設けた取付孔２３に挿通されている４本の締付棒２２により四隅で支持され、図示しないボルト等により積層方向に締め付けされることにより複数の単セルが密着させられ、一体的に固定される。
これにより、各々のマニホールドリング１５、１６がそれぞれセパレータ８の各ガス導入孔１３、１４を介して縦方向（積層方向）に連結されて燃料ガス用と酸化剤ガス用の２系統の管状マニホールド（連結された状態は図示せず）が形成されることになる。

上記した燃料電池の組立においては、各ガス導入孔１３、１４の開口縁部にそれぞれ位置決め用の凹部１７が設けてあるから、単セル積層時の各マニホールドリング１５、１６の配置は容易であり、且つ、双方の孔位置がずれることなくセパレータ面上の正確な部位に配設できる。

また、既述したように、セパレータ間に介在されている燃料極集電体６と空気１極集電体７はそれぞれスポンジ状の多孔質焼結金属で構成されているから、スタックの締め付けによりこれらスポンジ状部材が弾性変形し、各マニホールドリング１５、１６は上下のセパレータ８の間に或る程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となっており、この弾力により、振動や外部衝撃による各マニホールドリング１５、１６の移動が拘束され、各マニホールドリング１５、１６がスタック組立後に位置ズレを起こすことが防止できる。
このように、本発明では、組立の際にマニホールドリング１５、１６を固定するための特別な部材を要さず、締め付けによる各集電体６、７の弾性変形を利用した弾力的固着構造として、スタック組立の更なる簡素化を図っている。

上記構成の燃料電池スタック１においては、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスは、それぞれ最下層部に位置するセパレータ８の側部に設けた開口２５ａ、２４ａより燃料ガス導入路２５と酸化剤ガス導入路２４を介して燃料ガス用マニホールドと酸化剤ガス用マニホールドに個々に導入される。
尚、図示しないが、開口２５ａには、外部より燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管が接続され、開口２４ａには、外部より酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給管が接続されているものとする。そして、これら各ガス供給管より導入された反応用のガスは、縦方向に延びるマニホールドの管内を流通する過程で、それぞれ各層（単セル）のガス導入孔１３、１４より分配されながら各々セパレータ８の各ガス通路を通して各発電セル５の電極部に供給されていく。

即ち、燃料ガス用マニホールド内の燃料ガスは、各セパレータ８の燃料ガス導入孔１３から燃料ガス通路９に導入され、通路末端の燃料ガス吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル５の燃料極層に達する。
一方、酸化剤ガス用マニホールド内の酸化剤ガスは、各セパレータ８の酸化剤ガス導入孔１４から酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端の酸化剤ガス吐出孔１２より吐出して対面する空気極極集電体７に供給され、拡散しながらここを通過して発電セル５の空気極層に達する。
尚、以降、各単セル内での電気化学反応は従来技術の欄で述べた通りであり、この電気化学反応で生じた高温の排ガスは所定の排気ルートで各単セルよりスタック外に排出されることになる。

ここで、各マニホールドを構成する各マニホールドリング１５、１６とセパレータ８の各ガス導入孔１３、１４は、セパレータ側に設けた位置決め凹部１７にって孔位置が確実に整合しており、且つ、両者の接触部分は接触面の細かな溝１８による差圧の相乗効果で高いシール性が得られており、接触部分からのガス漏れが生じる心配はない。

また、各マニホールドリング１５、１６が多重構造であるため、一部のリング部材に割れが生じても、割れの生じていない他のリング部材によって破損がカバーされるため、マニホールドのシール性は確実に確保されている。
尚、本実施形態では、各マニホールドリング１５、１６を３個のリング部材による多重構造としたが、３個に限定されないことは勿論である。

本発明に係る燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。 図１のII−II断面図。 本発明の燃料電池スタックに使用するマニホールドリングを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図。 図３とは別のマニホールドリングの側面図。 本発明が適用された燃料電池スタックの組立を示す斜視図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
５ 発電セル
８ セパレータ
９ 燃料ガス通路
１０ 酸化剤ガス通路
１３ 燃料ガス導入孔
１４ 酸化剤ガス導入孔
１５ 燃料用マニホールドリング
１５ａ〜１５ｃ リング部材
１６ 酸化剤用マニホールドリング
１６ａ〜１６ｃ リング部材
１７ 凹部
１８ 溝

Claims (4)

1. 固体電解質層の両面に電極層を配して構成した発電セルと内部に反応用ガスの通路を有するセパレータを交互に複数積層して構成した燃料電池スタックと、前記セパレータの厚さ方向に設けたガス導入孔を介して前記ガス通路に連通する絶縁性のマニホールドリングを備え、前記セパレータのガス通路を通して各電極層に反応用のガスを供給するように構成した燃料電池のマニホールド機構において、
   前記マニホールドリングは、絶縁性のリング部材を複数同心状に組み合わせた多重構造と成されていることを特徴とする燃料電池のマニホールド機構。
2. 前記マニホールドリングを構成する複数のリング部材は、全て同一材料にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のマニホールド機構。
3. 前記マニホールドリングが接するセパレータの表面部位に、当該マニホールドリングの位置決用となる凹部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池のマニホールド機構。
4. 前記セパレータに接する前記マニホールドリングの表面部位に大きな流路抵抗を奏する細かな溝を複数形成したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池のマニホールド機構。

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