JP2009054414A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単純な放熱構造でスタック積層方向の温度を均一化することができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 複数の発電セルとセパレータ８とを交互に積層して成る平板積層型の燃料電池スタックにおいて、上記セパレータ８に、厚さ方向の貫通孔３０を設けると共に、上記貫通孔３０の数をスタック積層方向の位置に応じて変えることにより、スタック積層方向における各セパレータの放熱量を制御するように構成した。スタック中段部に位置するセパレータ８の貫通孔３０の数をスタック端部に位置するセパレータ８の貫通孔３０の数より多くした。
【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た構造の燃料電池スタックに関し、特に、燃料電池スタックの積層方向における温度の均一化に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が高効率でクリーンな発電装置として注目されている。燃料電池は、円筒型、モノリス型、および平板積層型が提案されており、何れも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で構成されている。

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸素（空気）が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。
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して燃料極層との界面近傍に到達し、この部分で燃料ガスと反応して燃料極層に電子を放出すると共に、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の反応生成物を発電セルの外に放出する。この発電反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

ところで、平板積層型の燃料電池スタックでは、高出力化のために発電セルとセパレータを交互に多数積層する構成が採られているが、特に、このような高積層化構造の場合は、積層方向において各セル間の温度の差が大きくなり温度分布が生じ、図６の温度分布（イ）に示すように、スタック温度は中段部で高く、端部において低くなるという傾向が見られる。

これは、燃料電池スタックの両端を除く部分は各発電セルが別の発電セルによって上下で挟まれる構造であるため、発電セルのジュール熱が外に発散し難く、他方、燃料電池スタック両端部の発電セルはモジュール内雰囲気に直接接触しているため、ジュール熱が発散し易いことに起因しており、温度が低い部分の発電セルは、内部抵抗が大きくセル電圧が低下しているため、高温部分の発電セルに比べて電極反応が不活発となり、発電性能が低下している。

このように、燃料電池スタックの積層方向において温度の不均一が生じていると、燃料電池の総合的な発電性能が低温部の発電セルの発電性能で制限されることになり、効率的な発電が行えないという問題が有った。
また、高温部分の発電セルは発電性能は良好であるが、発電セル等のスタック構成部品が高温雰囲気に晒されることにより、劣化、破損し易いという問題がある。

尚、燃料電池スタックの積層方向の温度を均一化する技術として、例えば、特許文献１が開示されている。特許文献１は、積層状態の各セパレータに放熱フィンを設けて、セパレータの熱放射性を向上するこにより、スタック温度を制御するものであるが、放熱フィンの構造が複雑であり、且つ、放熱フィンを設けることで部品点数が増加し、燃料電池スタックが大型化するという問題があった。
特開２００４−２７８１０７９号公報

本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、単純な放熱構造でスタック積層方向の温度を均一化することができる燃料電池スタックを提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の燃料電池スタックは、複数の発電セルとセパレータとを交互に積層して成る平板積層型の燃料電池スタックにおいて、上記セパレータに、厚さ方向の貫通孔または窪みを設けると共に、上記貫通孔または上記窪みの数をスタック積層方向の位置に応じて変えることによりスタック積層方向における各セパレータの放熱量を制御するように構成したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、スタック中段部に位置するセパレータの上記貫通孔または上記窪みの数をスタック端部に位置するセパレータの貫通孔または窪みの数より多くしたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、スタック中段部において各セパレータに形成した上記貫通孔の面方向の位置を積層方向において一致させて成ることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池スタックにおいて、上記セパレータを金属部材で構成し、且つ、上記貫通孔をパンチング加工にて形成したことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池スタックにおいて、上記セパレータは、中央部に発電セルが配設されるセパレータ本体と、このセパレータ本体より面方向に延設して、当該セパレータ本体を２カ所で支持する一対のアーム部とを備え、且つ、上記貫通孔または上記窪みを上記セパレータ本体の上記発電セルが位置する部分を除く部分に設けたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、セパレータに貫通孔または窪みを設けることによりセパレータの表面積、すなわち、放熱面積が増加し、セパレータの熱放射性を向上させることができることから、貫通孔または窪みの数をスタック積層方向の位置に応じて変えることで、スタック積層方向の温度を制御することが可能となる。そして、このスタック温度の制御は、新たな放熱部材を用いず、セパレータの孔加工だけで成されるものであるから、構造は極めて単純であり、且つ、このことが燃料電池スタックの大型化に繋がることはなく、小形化、低価格化に寄与できるものとなる。

また、請求項２に記載の発明によれば、スタック温度が高くなるスタック中段部の貫通孔または窪みを端部（上段部、下段部）より多くしたので、その放熱効果によりスタック中段部の温度が低下し、端部の温度に近づけることができるため、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布が緩和され、効率的な発電が可能となる。加えて、スタック中段部の温度が低下することで、スタック中段部において発電セル等の構成部品に対する熱的ストレスが緩和されるため、燃料電池スタックの耐久性が向上する。

また、請求項３に記載の発明によれば、スタック中段部における貫通孔の面方向の位置を積層方向において一致させたので、スタック中段部において、積層方向の空気の流れを生じさせることができ、スタック中段部におけるセパレータの熱放射性が更に向上する。

また、請求項４に記載の本発明によれば、貫通孔をパンチング加工にて形成したので、貫通孔による熱放射性の向上に加え、パンチングメタルを用いることでセパレータの機械的強度が向上し、高温雰囲気におけるリープ現象でセパレータが塑性変形することを防止でき、曳いては、セパレータの変形に起因する発電セルの破損を防止できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタック（以下、単に燃料電池スタックという）を示す斜視図、図２は単セルの分解斜視図、図３はセパレータの形状を示す平面図、図４は隣接セパレータにおける貫通孔の縦方向の位置関係を示す図、図５はセパレータに設けた窪みの断面形状を示す図、図６はスタック積層方向における温度分布を示す図である。

図２に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配して構成した発電セル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、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８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、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

セパレータ８は、厚さ数２．５ｍｍ程の四角形状のステンレス板で成り、上述した発電セル５、各集電体６、７等が配設される中央のセパレータ本体８ａと、このセパレータ本体８ａより面方向に延設されて、当セパレータ本体８ａの対向縁部を２カ所で支持するアーム部８ｂ、８ｂとで構成されている。

セパレータ本体８ａ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に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部には、燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央の孔１１から吐出する燃料ガス通路１６（図３参照）と、空気をセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央の孔１２から吐出する空気通路１９（図３参照）が形成されている。

また、各アーム部８ｂ、８ｂの端部には厚さ方向に貫通するガス孔１３、１４が設けられ、一方のガス孔１３は上記燃料ガス通路１６に連通し、他方のガス孔１４は上記酸化剤ガス通路１９に連通しており、各々のガス孔１３、１４からこれらガス通路１６、１９を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび空気が供給されるようになっている。

上記構成の単セル１０を、絶縁性のマニホールドリング１５、１６を介在して順次積層すると共に、積層体の上下両端にセパレータ８よりサイズの大きい四角形の上端板２０ａと下端板２０ｂを配設することにより、図１に示す平板積層型の燃料電池スタック１が構成される。

燃料電池スタック１の上端板２０ａと下端板２０ｂが対向角部においてボルト２５、ナット２６（タイロッド）にて締め付けされ、その締め付け荷重により、セパレータ８のアーム部８ｂのガス孔１３、１４と各マニホールドリング１５、１６が機械的に密着し、連結させられることにより、スタック内部に積層方向（縦方向）に延在する燃料ガスマニホールド１７と空気マニホールド１８が形成される。

また、上下端板２０ａ、２０ｂの側部であって燃料ガスマニホールド１７の近傍には、燃料ガスが導入される燃料ガス導入口２１ａ、２１ｂが設けられていると共に、下端板２０ｂの側部であって空気マニホールド１８の近傍には、空気が導入される空気導入口２２が設けられている。上下端板２０ａ、２０ｂの燃料ガス導入口２１ａ、２１ｂは、燃料ガスマニホールド１７の上端と下端で連通し、下端板２０ｂの空気導入口２２は、空気マニホールドの下端で連通している。従って、燃料ガスは燃料電池スタック１の上下より導入され、空気は燃料電池スタック１の下端より導入される。

上端板２０ａの中央部に発電セル５より径の大きい丸孔２３が設けられ、この部分に円筒形の錘２４が載置されている。この錘２４による荷重でセパレータ本体８ａが下方に押圧されることにより、単セル１０を構成する複数の発電要素が相互に密着して一体的に固定されるようになっている。

上記構成の燃料電池スタックでは、運転時、各マニホールド１７、１８には、外部から供給される反応用ガスとしての燃料ガスと空気が流通し、各反応用ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より燃料ガス通路１６および空気通路１９を介して燃料極集電体６側と空気極集電体７側に吐出し、これら集電体６、７の内部を拡散・移動して各発電セル５の各電極面に誘導されることにより、発電反応が生じる。この発電反応の際に発電セル内の内部抵抗等によるジュール熱が発生し、その熱エネルギーが各セパレータ８を介して外部に放出される。

ところが、既述したように、平板積層型の燃料電池スタック１の場合は、積層方向における放熱量のアンバランスからスタック積層方向に温度差が生じ（スタックの端部に較べて中段部の温度が高くなる）、効率的な発電が行えなくなるという問題が有った。

そこで、本実施形態では、例えば、図３に示すように、上記セパレータ８に厚さ方向に貫通する多数の孔３０（貫通孔３０）を設け、且つ、燃料電池スタック１の積層方向に関して、セパレータ８の積層位置に応じて上記貫通孔３０の数を変えることによって、スタック積層方向における各セパレータ８からの放熱量を制御し、スタック積層方向の温度差を調整するようにした。以下に、その詳細について説明する。

上記貫通孔３０は、セパレータ本体８ａの内の上記発電セル５が位置する部分（図３において破線Ａで囲まれた領域）を除く部分に設けられ、貫通孔３０の数は、温度低下の大きいスタック端部（スタック上段部、スタック下段部）に較べて温度上昇の大きいスタック中段部において多く形成されており、且つ、図４に示すように、スタック中段部においては、各セパレータ８の貫通孔３０が積層方向（縦方向）において一致するような位置に形成されている。上記貫通孔３０はパンチング加工により形成されている。

また、スタック積層方向の温度は、図６の温度分布（イ）に示すように、スタック下段部がスタック上段部に較べて温度低下の割合が大きいことから、スタック中段部からスタック上段部にかけてのセパレータ８の貫通孔３０の数（孔数）を下端部側のセパレータ８の孔数より多くすることが好ましく、例えば、図１に示す燃料電池スタック１を、単セル１０の４６段構成とし、スタック上下端よりそれぞれ単セル１０の約１０段分を上段部（Ｕ）、下段部（Ｄ）とし、その他の中央部分を中段部（Ｍ）とした場合、孔数は中段部（Ｍ）に位置するセパレータ８で４０個程、上段部（Ｕ）で２０個程、下段部（Ｄ）で４個程としている。

このように、セパレータ８の適所に貫通孔３０を設けることにより、セパレータの表面積、すなわち、放熱面積が増加し、セパレータ８の熱放射性（抜熱量）を向上させることができる。
そして、スタック内部の温度が相対的に高くなり易い中段部において、熱放射性の高いセパレータ８を配置して運転時のジュール熱の放出を促進する一方、スタック内部の温度が相対的に低くなり易い上段部と下段部に熱放射性の低いセパレータ８を配置し、これらセパレータ８からのジュール熱の放出を抑制し、スタック中段部の温度を低くしてスタック端部の温度に近づけることにより、図６の温度分布（ロ）で示すように、スタック積層方向の温度を均一化することができ、スタック全体の温度を発電反応に適した所定の温度範囲に維持することが可能となる。

これにより、一部の低電圧セルに規制されない効率的な発電を行うことができるようになると共に、高温雰囲気下で生じ易い熱応力による各電極層３、４の剥離等、発電セル５の劣化・破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）を向上することができる。

また、スタック中段部における貫通孔３０の面方向の位置を積層方向において一致させているので、図４に示すように、スタック中段部において積層方向（縦方向）の空気の流れを生じさせることができ、スタック中段部におけるセパレータ８の熱放射性を更に向上させることができる。

また、貫通孔３０がパンチング加工にて形成されているので、貫通孔３０による熱放射性の向上に加え、パンチングメタルを用いることでセパレータ８の機械的強度が向上し、高温雰囲気におけるクリープ現象でセパレータ８が塑性変形することを防止でき、曳いてはセパレータ８の塑性変形に起因する発電セル５の破損を防止できる。

以上のように、本実施形態によるスタック温度の制御は、別途放熱部材を用いることなく、セパレータ８の孔加工だけで成されるものであるから、構造は極めて単純であり、且つ、このことが燃料電池スタックの大型化に繋がることはなく、小形化、低価格化に寄与できるものとなる。

また、本実施形態では、セパレータ８に貫通孔３０を設けた場合を説明したが、貫通孔３０に替えて図５に示すような半球状の窪み４０を形成しても構わない。窪み４０は、セパレータ８の片面（ａ）、または両面（ｂ）に設けることができ、且つ、セパレータ８の放熱面積を増加できることは貫通孔３０の場合と同様である。
特に、両面に設ける場合は、片面に較べて放熱面積を効率良く増大できると共に、窪み加工によるセパレータ８の反りも生じ難くできるといったメリットがある。また、同一セパレータ上に貫通孔３０と窪み４０を混在させることも勿論可能である。

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外観を示す斜視図。 本発明に係る単セルの構成を示す斜視図。 セパレータの形状を示す平面図。 隣接セパレータにおける貫通孔の縦方向の位置関係を示す図。 セパレータに設けた窪みを示す縦断面図で、（ａ）は片面に窪みを設けた場合、（ｂ）は両面に窪みを設けた場合を示す。 スタック積層方向の温度分布を示す図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック（固体酸化物形燃料電池スタック）
５ 発電セル
８ セパレータ
８ａ セパレータ本体
８ｂ アーム部
３０ 貫通孔
４０ 窪み

Claims (5)

1. 複数の発電セルとセパレータとを交互に積層して成る平板積層型の燃料電池スタックにおいて、
   上記セパレータに、厚さ方向の貫通孔または窪みを設けると共に、上記貫通孔または上記窪みの数をスタック積層方向の位置に応じて変えることにより、スタック積層方向における各セパレータの放熱量を制御するように構成したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. スタック中段部に位置するセパレータの上記貫通孔または上記窪みの数をスタック端部に位置するセパレータの貫通孔または窪みの数より多くしたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. スタック中段部において各セパレータに形成した上記貫通孔の面方向の位置を積層方向において一致させて成ることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 上記セパレータを金属部材で構成し、且つ、上記貫通孔をパンチング加工にて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スタック。
5. 上記セパレータは、中央部に発電セルが配設されるセパレータ本体と、このセパレータ本体より面方向に延設して、当該セパレータ本体を２カ所で支持する一対のアーム部とを備え、
   且つ、上記貫通孔または上記窪みを上記セパレータ本体の上記発電セルが位置する部分を除く部分に設けたことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池スタック。

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