JP2008251236A

JP2008251236A - 平板積層型の燃料電池

Info

Publication number: JP2008251236A
Application number: JP2007088399A
Authority: JP
Inventors: Naoya Murakami; 直也村上
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】セパレータのアーム部同士の接触を防止し、発電性能の低下を防止すると共に、熱サイクルで生じるアーム部の塑性変形を防止し、発電セルの破損を防止する。
【解決手段】発電セルが配設されるインターコネクト部２０と、インターコネクト部より延設されて、端部２２が燃料ガスマニホールド１７に連結されるアーム部２１と、インターコネクト部より延設されて、端部２２が酸化剤ガスマニホールド１８に連結されるアーム部２１とを備え、且つ、各アーム部の延設部２３がインターコネクト部の中心部に対して対称に配設されると共に、端部が延設部より周方向に９０度ずれて位置し、インターコネクト部の中心部に対して対称に配置されて成る第１セパレータ８ａと、第１セパレータに対してミラー対称に形成された第２セパレータ８ｂとを具備し、これらが積層方向に交互に配設されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して成る平板積層型の燃料電池に関し、特に、セパレータの構造に関するものである。

従来より、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造の発電セルを、間にセパレータを介在して多数積層した平板積層型の燃料電池が知られている。

この平板積層型の燃料電池は、上記した複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータや集電体等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性が要求されており、例えば、スタックの上下端に配した固定板をボルト、ナットにて締め付けすることにより、積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造が採られている。

ところが、特に、内部マニホールド構造の場合、スタック中央の発電部分とスタック縁部のマニホールド部分とで積層される構成要素が異なるため、マニホールド部分と発電部分を締付板を用いて上下より締め付けると、剛性の高いセパレータ板でその縁部と中央部が同じ変位量で締め付けられることから、双方の高さの違いが起因して各部の締め付けが不十分となり、各構成要素の密着性が損なわれたり、発電部分に過大な締め付け力が加わって、発電セルが破損するという問題があった。

係る問題に鑑み、出願人は先に特許文献１によりマニホールド部分と発電部分の双方を好適荷重にて締め付けできる好ましいセパレータ構造を提案している。

特許文献１には、図６に示すように、中央部に発電セル５が位置するインターコネクト部２８ａの縁部より一対の細長帯状のアーム部２８ｂを延設し、その端部（マニホールド部２８ｃ）を積層体の外周部に設けた燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドに固定する構造のセパレータ２８が開示されている。
上記構造のセパレータ２８では、アーム部２８ｂが積層方向に変位可能となる可撓性を有するため、セパレータ２８に掛かる積層方向の荷重をマニホールド部分２８ｃとインターコネクト部分２８ａとに分離することができ、これにより、マニホールド部分２８ｃとインターコネクト部分２８ａの高さの差異等を吸収して双方を好適荷重にて締め付けることが可能となる。

ところが、上記構造のセパレータ２８は、解決すべき以下のような問題点が残されていた。
特許文献１に記載の燃料電池では、積層方向に隣接するセパレータ２８の各アーム部２８ｂは上下で重なり合う周方向の同じ位置に配設されているため、上下アーム部２８ｂの距離（隙間）は、セパレータ２８間に介在される発電セルやと集電体等の厚みで決まる極めて小さいものとなっている。

一方、セパレータ２８のアーム部２８ｂは、荷重や運転時の熱膨張により積層方向に変形するが、スタックに温度分布が生じていると、温度分布に応じて、各セパレータ２８でアーム部８ｂの変形量が異り、変形量が大きい部分においては、上下に隣接するセパレータ２８のアーム部２８ｂ同士が接触し、その部分の発電セル５が短絡状態となって発電性能が低下するという問題があった。

また、運転時の高温加重下において、セパレータ２８のアーム部８ｂが弾性を失って塑性変形（クリープ）すると、降温時の温度低下によってスタック全体が収縮していく過程で塑性変形したアーム部８ｂによって発電セル５に不必要に大きな力が加わり、発電セル５が破損するという問題があった。
特開２００６−１２０５８９号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、隣接するセパレータのアーム部同士の接触を防止して、発電性能の低下を防止すると共に、運転時の熱サイクルで生じるアーム部の塑性変形を防止して、発電セルの破損を防止した平板積層型の燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の平板積層型の燃料電池は、発電セルと内部に燃料ガス通路と酸化剤ガス通路を備えたセパレータが交互に複数段積層され、この積層体の外周部に、前記燃料ガス通路と酸化剤ガス通路に連通する燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドとが配設された平板積層型の燃料電池において、中央に前記発電セルが配設されるインターコネクト部と、前記燃料ガス通路を内包すると共に、前記インターコネクト部より延設されて、端部が前記燃料ガスマニホールドに連結されるアーム部と、前記酸化剤ガス通路を内包すると共に、前記インターコネクト部より延設されて、端部が前記酸化剤ガスマニホールドに連結されるアーム部とを備え、且つ、各アーム部の延設部が、前記インターコネクト部の中心部に対して対称に配設され、また、前記端部が、前記延設部より周方向に９０度ずれて位置すると共に、前記インターコネクト部の中心部に対して対称に配置されて成る第１セパレータと、当該第１セパレータに対してミラー対称に形成された第２セパレータとを具備し、これら第１セパレータと第２セパレータが前記積層体の積層方向に交互に配設されていることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の平板積層型の燃料電池において、前記アーム部を外方に大きく湾曲させたＵ字状としたことを特徴としている。

請求項１、２に記載の発明によれば、各アーム部の位置が異なる第１セパレータと第２セパレータを交互に配設したので、積層方向に隣接するセパレータのアーム部が各段毎に周方向に１８０度ずれた状態で位置し、上下で重ならないため、上下アーム部間に従来構造の２倍の隙間を確保することができる。これにより、積層方向の荷重や運転時の熱膨張によりアーム部が積層方向に変形した際のアーム部同士の接触を防止でき、発電セルが短絡されることによる発電性能の低下を回避できる。

また、積層体の周部には、燃料ガス通路を内包するアーム部と酸化剤ガス通路を内包するアーム部が周方向および積層方向に交互に配置され、各ガス通路内をそれぞれ温度や流量の異なる燃料ガスと酸化剤ガス流通するため、積層体全体の温度分布が緩和され、これにより、熱膨張により各アーム部に生じる変形量をほぼ等しくでき、上下に隣接するアーム部間の隙間を十分に確保できるため、アーム部同士の接触をより確実に防止できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、アーム部の形状をＵ字状としてアーム長を長くすることにより、アーム部に優れた可撓性を持たせることができ、これにより、発電時の高温加重下において、アーム部が塑性変形することを防止し、アーム部の塑性変形で生じる発電セルの破損を防止できる。

以下、図１〜図３に基づいて本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第１実施形態を説明する。
図１は第１実施形態による平板積層型の固体酸化物形燃料電池１（燃料電池スタック１）の構成を示し、図２はスタックユニットの構成を示し、図３はこれに用いられるセパレータの構造を示している。

図２に示すように、スタックユニット１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した第１セパレータ８ａおよび第２セパレータ８ｂとで構成されている。

これら発電要素の内、固体電解質層２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３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ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７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されされている。

また、第１セパレータ８ａおよび第２セパレータ８ｂは、何れも厚さ数ｍｍの円板状のステンレス板で構成されており、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、上述した発電セル５、各集電体６、７が積層される中央部分のインターコネクト部２０と、このインターコネクト部２０の周方向に延設されて、当インターコネクト部２０の対向縁部を２カ所で支持する一対のアーム部２１、２１とを備えている。各アーム部２１、２１は、インターコネクト部２０との間に僅かな隙間を持って細長帯状に形成され、これにより、積層方向に変位可能となる可撓性を持たせている。

中央部のインターコネクト部２０は、集電体６、７を介して発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する機能を有し、内部に酸化剤ガス（空気）が流通する酸化剤ガス通路１２と燃料ガスが流通する燃料ガス通路１１が形成されている。

また、各アーム部２１、２１がインターコネクト部２０から延設する部分（延設部２３、２３）は、それぞれインターコネクト部２０の中心部に対して対称位置に配設されており、また、各アーム部２１、２１の端部２２、２２は、それぞれ上記延設部２３より周方向に９０度ずれた部位に位置し、且つ、インターコネクト部２０の中心部に対してそれぞれが対称位置に配置されている。

また、これらアーム部２１、２１の端部２２、２２には、板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔１４と燃料ガス孔１３が設けられており、酸化剤ガス孔１４は、一方のアーム部２１を通して上記した酸化剤ガス通路１２に連通し、燃料ガス孔１３は、他方のアーム部２１を通して上記した燃料ガス通路１１に連通し、各々のガス孔１４、１３から、これらのガス通路１２、１１を通してインターコネクト部２０中央に設けたガス通路末端のガス吐出口１２ａ、１１ａより各発電セル５の各電極面（空気極層４および燃料極層３）の中央部に酸化剤ガスおよび燃料ガスを吐出するようになっている。

上記構成のスタックユニット１０を、図２に示すように、間にリング状の絶縁性ガスケット１５、１６を介在して順次積層すると共に、スタック両端より図示しない荷重手段により加重することにより、それぞれのガスケット１６、１５がセパレータ８ａ、８ｂの各ガス孔１４、１３を介して積層方向に連結され、図１に示すように、積層体の外周部に積層方向に延びる酸化剤ガスマニホールド１８と燃料ガスマニホールド１７が形成された燃料電池スタック１が構成される。

また、上記した第１セパレータ８ａと第２セパレータ８ｂは、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、ミラー対称に形成されており、各セパレータ８ａ、８ｂの各アーム部２１が、インターコネクト部２０の周部方向において１８０度異った位置に配設されている。従って、これら第１セパレータ８ａと第２セパレータ８ｂが交互に積層された燃料電池スタック１では、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、各セパレータ８ａ、８ｂのアーム部２１が上下で重なることはない。

以上、本実施形態では、セパレータ８ａ、８ｂのアーム部２１を細長帯状として可撓性を持たせることにより、各マニホールド１７、１８部分とインターコネクト部２０のそれぞれに相互に影響することなく最適荷重を掛け得る構造としており、この結果、発電要素間に良好な電気的接触性が得られると共に、各マニホールド１７、１８部分のガスシール性が向上し、発電性能と発電効率を向上が図れる。

そして、本実施形態では、特に、それぞれアーム部２１の位置が異なる第１セパレータ８ａと第２セパレータ８ｂを交互に配設したので、積層方向に隣接する各セパレータ８ａ、８ｂのアーム部２１が各段毎に周方向に１８０度ずれた状態で位置し、従来構造のように、上下のアーム部２１同士が重なることはないため、上下アーム部２１の間に従来構造の２倍の隙間を確保することができる。これにより、積層方向の荷重や運転時の熱膨張によりアーム部２１が積層方向に変形した際に上下のアーム部２１同士が接触するのを防止でき、このアーム部２１によって発電セル５が短絡され、発電性能が低下することが回避できる。

また、スタックの周部には、燃料ガス通路１１を内包するアーム部２１と酸化剤ガス通路１２を内包するアーム部２１が周方向および積層方向に交互に配置され、各ガス通路１１、１２内にそれぞれ温度や流量の異なる燃料ガスと酸化剤ガがバランス良くス流通するため、燃料電池スタック１全体の温度分布が緩和され、これにより、熱膨張により各アーム部２１に生じる変形量をほぼ等しくでき、上下に隣接するアーム部２１間の隙間を十分に確保できるため、アーム部２１同士の接触をより確実に防止できる。

次に、図４、図５は本発明の第２実施形態を示している。
図４は第２実施形態による平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示し、図５はこれに用いるセパレータの構造を示している。

第２実施形態による第１セパレータ８ａと第２セパレータ８ｂは、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、図３（ａ）、図３（ｂ）に示した第１セパレータ８ａ、第２セパレータ８ｂにおいて、アーム部２１をインターコネクト部２０より外方に大きく湾曲させてＵ字状としたものである。

このように、アーム部２１をＵ字状としてアーム長を長くすることにより、アーム部２１に優れた可撓性を持たせることができ、これにより、発電時の高温加重下において、アーム部２１が弾性を失い塑性変形することを防止し、アーム部２１の塑性変形で生じる発電セル５の破損を防止することできる。

また、上記構成においても、図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、積層方向に隣接する各セパレータ８ａ、８ｂのアーム部２１が各段毎に１８０度周方向にずれた状態で位置し、上下のアーム部２１同士が重なることはないため、上下アーム部２１の間に従来構造の２倍の隙間を確保することができる。これにより、積層方向の荷重や運転時の熱膨張によりアーム部２１が積層方向に変形した際に上下のアーム部２１同士が接触するのを防止でき、このアーム部２１によって発電セル５が短絡され、発電性能が低下することが回避できる。

また、スタックの周部には、燃料ガス通路１１を内包するアーム部２１と酸化剤ガス通路１２を内包するアーム部２１が周方向および積層方向に交互に配置され、各ガス通路１１、１２内にそれぞれ温度や流量の異なる燃料ガスと酸化剤ガス流通するため、燃料電池スタック１の全体の温度分布が緩和され、これにより、熱膨張により各アーム部２１に生じる変形量をほぼ等しくでき、上下に隣接するアーム部２１間の隙間を十分に確保できるため、アーム部２１同士の接触をより確実に防止できる。

以上、本実施形態では、円板状のセパレータについて説明したが、セパレータ形状はこれに限るものではなく、図６に示すような四角形のセパレータにも勿論適用可能である。

本発明の第１実施形態による平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図。本発明に係るスタックユニットの構成を示す図。図１で用いたセパレータの構造を示す図。本発明の第２実施形態による平板積層型の固体酸化物形燃料電池を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図。図４で用いたセパレータの構造を示す図。従来例として示したセパレータの構造を示す図。

符号の説明

１燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
５発電セル
８ａ第１セパレータ
８ｂ第２セパレータ
１１燃料ガス通路
１２酸化剤ガス通路
１７燃料ガスマニホールド
１８酸化剤ガスマニホールド
２０インターコネクト部
２１アーム部
２２端部
２３延設部

Claims

発電セルと内部に燃料ガス通路と酸化剤ガス通路を備えたセパレータが交互に複数段積層され、この積層体の外周部に、前記燃料ガス通路と酸化剤ガス通路に連通する燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドとが配設された平板積層型の燃料電池において、
中央に前記発電セルが配設されるインターコネクト部と、前記燃料ガス通路を内包すると共に、前記インターコネクト部より延設されて、端部が前記燃料ガスマニホールドに連結されるアーム部と、前記酸化剤ガス通路を内包すると共に、前記インターコネクト部より延設されて、端部が前記酸化剤ガスマニホールドに連結されるアーム部とを備え、
且つ、各アーム部の延設部が、前記インターコネクト部の中心部に対して対称に配設され、また、前記端部が、前記延設部より周方向に９０度ずれて位置すると共に、前記インターコネクト部の中心部に対して対称に配置されて成る第１セパレータと、
当該第１セパレータに対してミラー対称に形成された第２セパレータとを具備し、
これら第１セパレータと第２セパレータが前記積層体の積層方向に交互に配設されていることを特徴とする平板積層型の燃料電池。
前記アーム部を外方に大きく湾曲させたＵ字状としたことを特徴とする請求項１に記載の平板積層型の燃料電池。