JP2007317490A - 固体電解質形燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの重量を軽量化できるとともに、シール性も確保することができる固体電解質形燃料電池スタックを提供すること。
【解決手段】燃料ガスに接する燃料極（２３）と空気に接する空気極（２７）とを有する固体電解質体（２５）を備えた固体電解質形燃料電池セル（２）を、複数積層した固体電解質形燃料電池スタック（１）において、固体電解質形燃料電池スタック（１）の積層方向の両側に外縁保持部材（４、５）を備える。また、両側の外縁保持部材（４、５）を締め付けて固体電解質形燃料電池スタック（１）を両側から押圧するボルト（１１〜１４）及びナット（１９、２０）を備える。この外縁保持部材（４、５）は、固体電解質形燃料電池スタック（１）の積層方向の端面の外周縁部のみを押圧する枠体である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを複数積層した固体電解質形燃料電池スタックに関するものである。

従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。

上述したＳＯＦＣにおいては、スタックの両側に配置された保持板（エンドプレート）にて、スタック端面全体を押圧してスタック全体を締め付けている。そして、締め付けることにより、各セル間のシール部への加圧と各セルの電極への集電体の接触との二つの機能を果たしている（特許文献１参照）。

また、これとは別に、セルの中心部のみを押圧する構造のＳＯＦＣも提案されている（特許文献２参照）。
特開２００４−２８８５３９号公報 特開２００５−１７４８８４号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、エンドプレートの形状は、スタックの積層方向の端面と同じ大きさで、しかも、変形を防止するために非常に厚いものであるため、スタック全体の重量が増加するという問題があった。

また、特許文献２の技術は、セルの中心部を押圧する構成であるが、給気や排気を行うマニホールドはセルの外周部分に形成されているため、マニホールド部分のシール性に問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スタックの重量を軽量化できるとともに、シール性を確保することができる固体電解質形燃料電池スタックを提供することにある。

（１）請求項１の発明は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを、複数積層した固体電解質形燃料電池スタックにおいて、前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の両側に保持部材を備えるとともに、前記両側の保持部材を締め付けて前記固体電解質形燃料電池スタックを両側から押圧する締付部材を備え、前記保持部材の少なくとも一方は、前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端面の外周縁部を押圧する外縁保持部材であることを特徴とする。

本発明では、スタックを押圧する保持部材の少なくとも一方が、スタックの積層方向の端面全体ではなく、端面の外周縁部を押圧する外縁保持部材であるので、保持部材を軽量化することができ、ひいてはスタック全体の軽量化を実現できる。

また、外縁保持部材は、従来の様にスタック端面全体を均一に押圧するものでないため、例えばシール性を確保するために、外縁保持部材にて外周縁部を最適な圧力で押圧することができるとともに、電極等の導電性を確保するために、それとは異なる押圧力で外周縁部より内側部分を押圧することができる。つまり、スタック端面の各領域を最適な圧力で押圧することができるので、シール性及び電気伝導性の確保を共に好適に実現できるという顕著な効果を奏する。

ここで、「端面の外周縁部を押圧する外縁保持部材」としては、外周縁部のみを押圧する部材が好適であるが、従来の様な板材の全面でスタック端面を押圧する部材ではなく、主として外周縁部のみを高い圧力で押圧する部材（例えば中央部分も弱い圧力で押圧する部材）も本発明の範囲である。

（２）請求項２の発明では、前記外縁保持部材は、枠体であることを特徴とする。
本発明では、外縁保持部材は枠体であるので、スタックの端面の周囲を均等に押圧することができる。

（３）請求項３の発明では、前記固体電解質形燃料電池セルは、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給又は排出するマニホールドを備えており、前記外縁保持部材は、前記マニホールド周辺を押圧するものであることを特徴とする。

本発明では、外縁保持部材は、マニホールド周辺を押圧する（マニホールドはスタック内部にあるので、その部分を外側から押圧する）ものであるので、シール性を高めることができる。

尚、「マニホールド周辺を押圧する」構成としては、ガスが通過する孔が積層方向に開けられている場合には、孔の周囲を積層方向に押圧するものが挙げられる。
（４）請求項４の発明は、前記外縁保持部材とは別体の別保持部材を備え、前記別保持部材にて、前記外縁保持部材が押圧する前記固体電解質形燃料電池スタック端面の領域よりも内側の領域を押圧することを特徴とする。

本発明では、外縁保持部材にてスタックの外周縁部をしっかりと押圧して固定することができ、また、別保持部材によりスタックの内側を押圧して電極と集電体などの電気的導通を確実にすることができる。

・ここで、前記固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。

・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ₂系セラミック、ＬａＧａＯ₃系セラミック、ＢａＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＺｒＯ₃系セラミック、及びＣａＺｒＯ₃系セラミック等が挙げられる。

・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ₂系セラミック、ＣｅＯ₂系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。

・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物が挙げられる。

・保持部材（外縁保持部材）の材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料や、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。

具体的には、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ₂Ｏ₃）等が挙げられる。

尚、後述する金属製のフレーム、インターコネクタ、パッキンの材料としても、前記保持部材の材料と同様な金属材料を採用できる。但し、パッキンの材料としては、フレーム材料等よりも柔軟性を有する材料が好適である。

・そして、固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質形燃料電池スタックの実施例について説明する。

ａ）まず、固体電解質形燃料電池スタックの全体構成について説明する。
図１にスタック全体を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池スタック（以下単に燃料電池スタックと記す）１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。

この燃料電池スタック１は、固体電解質形燃料電池セル（以下単に燃料電池セルと記す）２が複数個（例えば１０個）積層された積層体（スタック本体）３と、積層体３の積層方向の両側に配置された一対の外縁保持部材４、５と、積層体３及び外縁保持部材４、５を積層方向に貫く４本の金属製のボルト１１〜１４などを備えている。尚、前記ボルト１１〜１４は、燃料電池スタック１の四隅に形成されたボルト固定孔７〜１０に貫挿されている。

また、燃料電池スタック１には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔１５と、燃料ガスを排出するための燃料ガス排気孔１６とが設けられるとともに、空気を供給するための空気供給孔１７と、空気を排出するための空気排気孔１８とが設けられている。尚、これらの燃料電池スタック１内の各孔１５〜１８により、内部マニホールド１９（図３参照）が構成されている。

そして、図２に示す様に、各ボルト１１〜１４にナット１９、２０が螺合して締め付けられることにより、外縁保持部材４、５は同図の上下方向（積層方向）の内側に締め付けられている。従って、この外縁保持部材４、５により、積層体３が内側に押圧されて、燃料電池スタック１が一体に固定されている。

図３及び図４に模式的に示す様に、前記燃料電池セル２は、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路２１側には、燃料極（アノード）２３が配置されるとともに、燃料極２３の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体２５が形成され、その固体電解質体２５の空気流路２９側の表面には、空気極（カソード）２７が形成されている。尚、一体に形成された燃料極２３と固体電解質体２５と空気極２７とをセル本体３１と称する。

また、燃料電池セル２は、金属製の空気極パッキン３９と、金属製の空気極フレーム４１と、セラミックス製の絶縁フレーム４３と、セル本体３１を接合してその中央に配置するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ４５と、金属製の燃料極フレーム４７と、金属製の燃料極パッキン４９を備えている。

更に、各燃料電池セル２の間には、燃料電池セル２間の導通を確保するとともにガス流路を遮断する金属プレートであるインターコネクタ３３が配置されており、空気極２７と（その上方の）インターコネクタ３３との間及び燃料極２３と（その下方の）インターコネクタ３３との間には、その導通を確保するために、（例えば空気極２７と同様なＬＳＣＦ、ＬＳＭ等やＮｉフェルトからなる）集電体３５、３７が配置されている。

従って、図５に分解して示す様に、燃料電池スタック１は、上下一対の外縁保持部材４、５間に、上述した構成の複数の燃料電池セル２が、それぞれ上下一対の金属製のインターコネクタ３３の間に挟まれた状態で配置されたものである。

尚、隣り合う燃料電池セル２の間のインターコネクタ３３は共有されるので、上下両端の燃料電池セル２以外は、燃料電池セル２間には、１枚のインターコネクタ３３が配置されるだけである。

ｂ）次に、燃料電池スタック１の各構成について、更に詳しく説明する。
図６に示す様に、前記図２の上方（上面側）の外縁保持部材４は、例えばフェライト系ステンレスからなり、直方体の中央部分が空けられた枠体（例えば厚み１０ｍｍ）であり、その四隅の角部には、ボルト１１〜１４が貫挿される貫通孔５１〜５４、即ちボルト固定孔７〜１０の一部を構成する貫通孔５１〜５４が空けられている。尚、下面側の外縁保持部材５も同様である。

また、外縁保持部材４の各辺（枠部分）の中央部分には、前記燃料ガス供給孔１５、燃料ガス排気孔１６、空気供給孔１７、空気排気孔１８の一部をそれぞれ構成する各貫通孔５５〜６１が設けられている。尚、前記図２の下方（下面側）の外縁保持部材５には、燃料ガスや空気が流れる前記貫通孔５５〜６１は形成されていない。

図７に示す様に、インターコネクタ３３は、例えばフェライト系ステンレスの薄板（例えば０．２ｍｍ厚）からなり、その四隅の角部には、ボルト１１〜１４が貫挿される貫通孔６３〜６７が空けられている。

また、インターコネクタ３３の各辺の近傍には、前記燃料ガス供給孔１５、燃料ガス排気孔１６、空気供給孔１７、空気排気孔１８の一部をそれぞれ構成する長孔形状の各貫通孔６９〜７５が設けられている。

図８に示す様に、空気極パッキン３９（燃料極パッキン４９も同様）は、例えばＣｕ等の金属箔の表面にＡｇ等をメッキした金属箔（例えば５０〜２００μｍ厚）からなり、その四隅の角部には、ボルト１１〜１４が貫挿される部分の周囲を気密して囲むように、貫通孔７７〜８０が空けられている。

また、対向する辺の近傍には、燃料ガスが通過する部分や空気が通過する部分の周囲を気密して囲むように、前記燃料ガス供給孔１５及び燃料ガス排気孔１６（又は、空気供給孔１７及び空気排気孔１８）の一部をそれぞれ構成する長孔形状の各貫通孔８１、８３が設けられている。

このうち、空気極パッキン３９と燃料極パッキン４９とは、同じ形状であるが、前記図５に示す様に、直交するように配置される。これにより、燃料ガスを燃料電池セル２内に導入（及び燃料電池セル２外に排出）するか、空気を燃料電池セル２内に導入（及び燃料電池セル２外に排出）するようにされている。

ｃ）次に、燃料電池スタック１のガス流路について説明する。
(1)燃料の流路
前記図３に示す様に、上面側の外縁保持部材４の貫通孔５５から供給された燃料ガスは、燃料ガス供給孔１５から、各燃料電池セル２の側方にあけられた燃料導入側セル連通部８５を介して燃料電池セル２内の燃料流路２１側に導入される。

次に、燃料電池セル２内の燃料流路２１の燃料ガスは、燃料排出側セル連通路８７から、燃料ガス排気孔１６を介して、上面側の外縁保持部材４の貫通孔５７から燃料電池スタック１外に排出される。

(2)空気の流路
前記図４に示す様に、上面側の外縁保持部材４の貫通孔５９から供給された空気は、空気供給孔１７から、各燃料電池セル２の側方にあけられた空気導入側セル連通部８９を介して燃料電池セル２内の空気流路２９側に導入される。

次に、燃料電池セル２内の空気流路２９の空気は、空気排出側セル連通路９１から、空気排気孔１８を介して、上面側の外縁保持部材４の貫通孔６１から燃料電池スタック１外に排出される。

ｄ）次に、燃料電池スタック１の製造方法について、簡単に説明する。
・まず、金属製の板材を打ち抜いて、インターコネクタ３３、空気極フレーム４１、燃料極フレーム４７、セパレータ４５を製造した。また、金属箔をパッキン形状に打ち抜き、その表面にメッキを施してパッキン３９、４９を製造した。更に、定法により、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム４３を製造した。

・一方、燃料電池セル２のセル本体３１を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極２３のグリーンシート上に、固体電解質体２５の材料を印刷し、その上に空気極２７の材料を印刷し、その後焼成した。尚、セル本体３１は、セパレータ４５にろう付けして固定した。

・そして、空気極フレーム４１、燃料極フレーム４７、セル本体３１をろう付けしたセパレータ４５、集電体３５、３７、パッキン３９、４９などを一体にして、各燃料電池セル２を組み付けるとともに、各インターコネクタ３３の間に挟むようにして、各燃料電池セル２を積層して積層体３を構成した。

・そして、この積層体３の両側に外縁保持部材４、５を配置して、燃料電池スタック１のボルト固定孔７〜１０に、それぞれボルト１１〜１４を嵌め込むとともに、その先端にナット１９、２０を螺合させた。

その後、このナット１９、２０を締め付けて、燃料電池スタック１を固定して一体化した。
ｅ）本実施例の効果
このようにして製造された燃料電池スタック１では、その両側を押圧する部材が、燃料電池スタック１の積層方向の端面全体ではなく、端面の外周縁部のみを押圧する枠体（即ち外縁保持部材）４、５であるので、両側から押圧する部材を軽量化することができ、ひいては燃料電池スタック１全体の軽量化を実現できる。

また、外縁保持部材４、５は、従来の様に燃料電池スタック１端面全体を均一に押圧するものでないため、シール性を確保するために、外縁保持部材４、５にて外周縁部（即ちマニホールド周辺）のみを最適な圧力で押圧することができるとともに、燃料極２３や空気極２７や集電体３５、３７の導電性を確保するために、それとは異なる押圧力で外周縁部より内側部分を押圧することができる。つまり、燃料電池スタック１端面の各領域を最適な圧力で押圧することができるので、シール性及び電気伝導性の確保を共に好適に実現できるという顕著な効果を奏する。

つまり、外縁保持部材４、５は、マニホールド周辺のみを押圧するものであるので、導電性を確保するとともに、セル本体３１に過大な圧力を加えることなく、シール性を高めることができる。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、図９に示す様に、外縁保持部材１０１より外側に板材１０３を配置するとともに、板材１０３と積層体１０５との間で且つ外縁保持部材１０１より内側（枠の内部側）に、別保持部材（例えばバネ性を有する部材）１０７を配置し、この別保持部材１０７にて、外縁保持部材１０１が押圧する外縁領域よりも内側の領域を押圧する構成を採用できる。

これにより、外縁保持部材１０１にて燃料電池スタック１０９の外周をしっかりと押圧して固定することができるとともに、別保持部材１０７により燃料電池スタック１０９の内側を押圧して電極と集電体などの電気的導通を確実にすることができる。

尚、燃料電池セルの外側のインターコネクタを別保持部材として用いることができる。つまり、燃料電池セルの外側のインターコネクタにより、電気的導通を確実にするように、燃料電池セルの中央部分を内側に押圧する構成とすることができる。

実施例の固体電解質形燃料電池スタックを示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池スタックを示す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面を模式的に示す説明図である。 図１のＢ−Ｂ断面を模式的に示す説明図である。 固体電解質形燃料電池スタックを分解した状態を示す斜視図である。 外縁保持部材を示す平面図である。 インターコネクタを示す平面図である。 パッキンを示す平面図である。 他の固体電解質形燃料電池スタックを示す断面図である。

符号の説明

１、１０９…固体電解質形燃料電池スタック
２…固体電解質形燃料電池セル
３、１０５…積層体
４、５、１０１…外縁保持部材
２３…燃料極
２５…固体電解質体
２７…空気極
３３…インターコネクタ
３９、４９…パッキン
１０７…別保持部材

Claims (4)

1. 燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを、複数積層した固体電解質形燃料電池スタックにおいて、
   前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の両側に保持部材を備えるとともに、前記両側の保持部材を締め付けて前記固体電解質形燃料電池スタックを両側から押圧する締付部材を備え、
   前記保持部材の少なくとも一方は、前記固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端面の外周縁部を押圧する外縁保持部材であることを特徴とする固体電解質形燃料電池スタック。
2. 前記外縁保持部材は、枠体であることを特徴とする前記請求項１に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
3. 前記固体電解質形燃料電池セルは、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給又は排出するマニホールドを備えており、
   前記外縁保持部材は、前記マニホールド周辺を押圧するものであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
4. 前記外縁保持部材とは別体の別保持部材を備え、
   前記別保持部材にて、前記外縁保持部材が押圧する前記固体電解質形燃料電池スタック端面の領域よりも内側の領域を押圧することを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。

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