JP2011233247A

JP2011233247A - 固定酸化物型燃料電池

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Publication number: JP2011233247A
Application number: JP2010099856A
Authority: JP
Inventors: Teruyuki Ushijima; 輝幸牛島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2011-11-17
Also published as: US20110262827A1; US9054362B2

Abstract

【課題】燃料ガスや酸化剤ガスがマニホールドから流出することを防ぐことができる固定酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】固定酸化物型燃料電池１０は、ＭＥＡ１１の両端にセパレータ１５が積層されることにより、セパレータ１５に備えた第１、第２の開口部２５ａ，２６ａが同軸上に連通されてマニホールド４１，４２が形成され、マニホールド４１，４２を経て燃料ガス、酸化剤ガスをＭＥＡ１１に供給するものである。この固定酸化物型燃料電池は、マニホールド４１，４２の継目３７，３８を封止するために、セパレータ１５間に銀メッキ層１８を設け、銀メッキ層１８をシール部として用いるように構成されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、膜電極接合体にセパレータを積層してマニホールドを形成し、マニホールドから燃料ガスや酸化剤ガスを膜電極接合体に供給する固定酸化物型燃料電池に関する。

固定酸化物型燃料電池は、燃料電池セルを多数枚積層することで所望の出力を得る構造である。この燃料電池セルは、膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」という）の両面に集電体を介してセパレータを設けたものである。
ＭＥＡおよびセパレータ間に集電体を介在させることで、ＭＥＡおよびセパレータの製造公差などを許容させてＭＥＡおよびセパレータの接触面積を確保できる。

ところで、セパレータは、ＭＥＡに燃料ガスや酸化剤ガスを導くガス流路と、ガス流路に燃料ガスや酸化剤ガスを導く開口部とが形成されている。
各セパレータの開口部は、燃料電池セル（すなわち、セパレータ）を多数枚積層させた状態において同軸上に配置されてマニホールドに形成される。
よって、マニホールドに燃料ガスや酸化剤ガスを供給することにより、マニホールドに流れた燃料ガスや酸化剤ガスをセパレータのガス流路を介してＭＥＡに導くことができる。

ここで、セパレータを多数枚積層させてマニホールドに形成するため、積層されたセパレータ間（マニホールドの継目）をシール部で封止（シール）して、マニホールドの継目から燃料ガスや酸化剤ガスが流出しないようにする必要がある。
そこで、積層されたセパレータ間（マニホールドの継目）をガラス製のシール部で封止している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−３９５７３号公報

しかし、特許文献１の固定酸化物型燃料電池は、積層されたセパレータ間（マニホールドの継目）がガラス製のシール部で封止されている。
このため、例えば、固定酸化物型燃料電池が比較的大きく温度変化した場合、比較的大きな温度変化にガラス製のシール部が追従することが難しい。
このため、固定酸化物型燃料電池の比較的大きな温度変化でガラス製のシール部が破損して、マニホールドから燃料ガスや酸化剤ガスが流出することが考えられる。

本発明は、燃料ガスや酸化剤ガスがマニホールドから流出することを防ぐことができる固定酸化物型燃料電池を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、膜電極接合体の両端にセパレータが積層されることにより、前記セパレータに備えた開口部が同軸上に連通されてマニホールドが形成され、前記マニホールドを経て燃料ガス、酸化剤ガスを前記膜電極接合体に供給する固定酸化物型燃料電池において、前記セパレータを積層して形成された前記マニホールドの継目を封止するために、前記セパレータ間に銀メッキ層を設け、前記銀メッキ層をシール部として用いることを特徴とする。

請求項２は、前記セパレータ間に絶縁性の連通部が配置されることにより、前記連通部に備えた連通口で前記セパレータの開口部が連通され、前記連通部のうち、前記セパレータに接触するシール面に前記銀メッキ層を設けたことを特徴とする。

ここで、セパレータに銀メッキ層を施す場合、銀メッキ層を施す必要のない部位にまでメッキ処理を施すことが考えられ銀の使用量を抑えることが難しい。
加えて、セパレータはマニホールドに加えて他のガス通路を備えている。よって、セパレータに銀メッキ層を施す場合、例えば、マニホールドを形成する開口部を覆うとともに、その他のガス流路を覆うマスキング部材が必要になり、マスキング部材の形状が複雑になる。
そこで、請求項２において、連通部のシール面に銀メッキ層を設けるようにした。

請求項３は、前記銀メッキ層は、前記連通部のシール面に銀メッキを施した後、前記セパレータ間に前記連通部を配置し、前記セパレータおよび前記連通部に所定荷重を加え、前記銀メッキを所定温度で溶融することにより前記連通部のシール面および前記セパレータ間を封止するように形成されたことを特徴とする。

請求項１に係る発明では、セパレータ間に位置するマニホールドの継目を封止（シール）するために、セパレータ間に銀メッキ層を設けて銀メッキ層をシール部として用いるようにした。
銀メッキ層をシール部として用いることで、ガラス製のシール部材と比較してシール部の剛性（靱性、ねばり）を高めることができる。
よって、固定酸化物型燃料電池が大きく温度変化した場合、大きな温度変化でシール部（銀メッキ層）が破損することを防止できる。
これにより、マニホールドから燃料ガスや酸化剤ガスが流出することを防ぐことができる。

請求項２に係る発明では、連通部のシール面に銀メッキ層を設けるようにした。
このように、連通部のシール面のみに銀メッキ層を施すことで、銀メッキ層を必要な部位（すなわち、ガス通路のシール部（封止部））のみに施すことができるので、銀の使用量を少なく抑えることができる。

ここで、連通部はマニホールドを形成する連通口が形成されているだけである。
よって、連通部のシール面に銀メッキ層を施す際に、連通口に加えて他のガス流路をマスキング部材で覆う必要がない。
すなわち、マニホールドを形成する開口部をマスキング部材で覆うだけなので、マスキング部材の形状を簡素化できる。

請求項３に係る発明では、銀メッキを所定温度で溶融することにより、セパレータおよび連通部に加える所定荷重を小さく抑えた状態で、連通部のシール面およびセパレータ間を封止できる。
このように、セパレータおよび連通部に加える所定荷重を小さく抑えることで、銀メッキを施すメッキ処理設備の小型化を図ることができる。

本発明に係る固定酸化物型燃料電池を示す平面図である。図１の固定酸化物型燃料電池を示す側面図である。図１の３−３線断面図である。本発明に係るセパレータを示す斜視図である。図１の５−５線断面図である。図２の固定酸化物型燃料電池のマニホールドを示す斜視図である。図６の７−７線断面図である。本発明に係るマニホールドから燃料ガスや酸化剤ガスを導く例を説明する図である。本発明に係る膜電極接合体に燃料ガスや酸化剤ガスを導く例を説明する図である。本発明に係る連通部および第１通路部間を銀メッキ層で封止する工程を説明する図である。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係る固定酸化物型燃料電池１０について説明する。
図１、図２に示すように、固定酸化物型燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１の両面１１ａ，１１ｂ（図３参照）に積層された集電体１２，１３と、各々の集電体１２，１３に積層されたセパレータ１５と、セパレータ１５間に配置された絶縁性の連通部１６と、連通部１６およびセパレータ１５間に設けられた銀メッキ層１８とを備え、これらの部材が複数積層されている。

図３に示すように、ＭＥＡ１１は、固体酸化物電解質膜の両面に燃料極層および空気極層が積層され、燃料極層に燃料側ガス拡散層が積層され、空気極層に空気側ガス拡散層が積層されたものである。
このＭＥＡ１１は、一対のセパレータ１５（具体的には、円板部２１）間に集電体１２，１３を介して挟持され、円板部２１より一回り小さな円板状に形成されている（図１参照）。

集電体１２，１３は、ＭＥＡ１１と同様に円板状に形成されたシート状の部材である。
集電体１２，１３は、ＭＥＡ１１およびセパレータ１５間に介在されることで、ＭＥＡ１１およびセパレータ１５の製造公差などを許容させてＭＥＡ１１およびセパレータ１５の接触面積を確保する部材である。

図３〜図５に示すように、セパレータ１５は、所定間隔をおいて配置された一対の円板部２１と、一対の円板部２１を連結する連結バー２２と、連結バー２２の略中央から鉛直方向に延出された第１延出部２３と、第１延出部２３の先端部に設けられた第１通路部（通路部）２５と、連結バー２２の略中央から鉛直方向に延出された第２延出部２４と、第２延出部２４の先端部に設けられた第２通路部（通路部）２６とを有する。

一対の円板部２１および連結バー２２は、第１ガス通路３１と、第２ガス通路３２とが内部に形成されている。
円板部２１は、下部中央に第１ガス噴射口２１ａが形成され、上部中央に第２ガス噴射口２１ｂが形成されている。
第１ガス噴射口２１ａは、第１ガス通路３１に連通されている。
第２ガス噴射口２１ｂは、第２ガス通路３２に連通されている。

第１延出部２３は、第１ガス通路３１に連通する第３ガス通路３３が内部に形成されている。
第１通路部２５は、円筒状に形成され、中央に第１開口部（開口部）２５ａが形成されている。
第１開口部２５ａは、第３ガス通路３３に連通されている。
第１通路部２５間には連通部１６が同軸上に挟持（配置）されている。

第２延出部２４は、第１延出部２３の反対側に延出され、第２ガス通路３２に連通する第４ガス通路３４が内部に形成されている。
第２通路部２６は、連結バー２２を軸にして第１通路部２５と線対称の部材であり、円筒状に形成され、中央に第２開口部（開口部）２６ａが形成されている。
第２開口部２６ａは、第４ガス通路３４に連通されている。
第２通路部２６間には連通部１６が同軸上に挟持（配置）されている。

図６、図７に示すように、連通部１６は、一例として、アルミナ（酸化アルミニウム）などの絶縁性材料（絶縁材料）で形成された中空の円筒部材である。
この連通部１６は、第１、第２の通路部２５，２６（第２通路部２６は図５参照）の外形に対して一回り小さな外形に形成され、中央に連通口１６ａが形成されている。
連通口１６ａは、第１開口部２５ａに連通されるとともに、第１開口部２５ａに対して同軸上に配置されている。
また、連通口１６ａは、図５に示すように、第２開口部２６ａに連通されるとともに、第２開口部２６ａに対して同軸上に配置されている。

図５、図７に示すように、連通部１６は、第１通路部２５間に挟持（配置）された状態において両端面（シール面）１６ｂが第１通路部２５に銀メッキ層１８を介して接触されている。
さらに、連通部１６は、第２通路部２６間に挟持（配置）された状態において両端面（シール面）１６ｂが第２通路部２６に銀メッキ層１８を介して接触されている。

このように、連通部１６の両端面にシール面１６ｂが形成されている。このシール面１６ｂはドーナツ状の平坦面で（図６参照）、第１通路部２５の両端面２５ｂに接触可能で、かつ、第２通路部２６の両端面２６ｂに接触可能に形成されている。
このドーナツ状のシール面１６ｂに銀メッキ層１８が設けられている。

銀メッキ層１８は、シール面１６ｂに設けられることで、連通部１６および第１通路部２５間の継目（マニホールドの継目）３７を封止（密封、シール）する封止部（シール部）として用いられる。
よって、複数の第１通路部２５および複数の連通部１６を交互に積層し、かつ、連通部１６および第１通路部２５間の継目３７を銀メッキ層１８で封止することで、複数の第１通路部２５および複数の連通部１６で燃料ガス用のマニホールド（マニホールド）４１が形成される。

燃料ガス用のマニホールド４１は、複数の連通口１６ａおよび複数の第１開口部２５ａで燃料ガス用のマニホールド通路４１ａが形成されている。
この燃料ガス用のマニホールド４１は、燃料ガス用のマニホールド通路４１ａが複数の第３ガス通路３３に分岐されている。
よって、燃料ガス用のマニホールド通路４１ａに燃料ガスが矢印の如く供給された際に、供給された燃料ガスを複数の第３ガス通路３３に矢印の如く導くことができる（図７参照）。

さらに、銀メッキ層１８は、シール面１６ｂに設けられることで、連通部１６および第２通路部２６間の継目（マニホールドの継目）３８を封止するシール部として用いられる。
よって、複数の第２通路部２６および複数の連通部１６を交互に積層し、かつ、連通部１６および第２通路部２６間の継目３８を銀メッキ層１８で封止することで、複数の第２通路部２６および複数の連通部１６で酸化剤ガス用のマニホールド（マニホールド）４２が形成される。

酸化剤ガス用のマニホールド４２は、複数の連通口１６ａおよび複数の第２開口部２６ａで酸化剤ガス用のマニホールド通路４２ａが形成されている。
酸化剤ガス用のマニホールド４２は、酸化剤ガス用のマニホールド通路４２ａが複数の第４ガス通路３４に分岐されている。
よって、燃料ガス用のマニホールド通路４１ａと同様に、酸化剤ガス用のマニホールド通路４２ａに燃料ガスが供給された場合、供給された燃料ガスを複数の第４ガス通路３４に導くことができる。

ところで、銀メッキ層１８は導電性に優れている。
そこで、固定酸化物型燃料電池１０は、セパレータ１５間に絶縁性の連通部１６を介在させることで、セパレータ１５間の電気的絶縁を確保するように構成されている。
すなわち、連通部１６は、セパレータ１５間の電気的絶縁を確保し、かつ、燃料ガス用のマニホールド４１や酸化剤ガス用のマニホールド４２を構成する部材である。

以上説明したように、固定酸化物型燃料電池１０は、セパレータ１５および連通部１６を積層して燃料ガス用のマニホールド４１および酸化剤ガス用のマニホールド４２を形成した。
そして、燃料ガス用のマニホールド４１（マニホールド通路４１ａ）および酸化剤ガス用のマニホールド４２（マニホールド通路４２ａ）の継目３７，３８を封止するために、セパレータ１５および連通部１６間に銀メッキ層１８を設け、銀メッキ層１８をシール部として用いるように構成した。

銀メッキ層１８をシール部として用いることで、ガラス製のシール部材と比較してシール部の剛性（靱性、ねばり）を高めることができる。
よって、固定酸化物型燃料電池１０が比較的大きく温度変化した場合でも、比較的大きな温度変化でシール部（銀メッキ層１８）が破損することを防止できる。
これにより、燃料ガス用のマニホールド４１（マニホールド通路４１ａ）および酸化剤ガス用のマニホールド４２（マニホールド通路４２ａ）から燃料ガスや酸化剤ガスが流出することを防ぐことができる。

つぎに、ＭＥＡ１１に燃料ガスや酸化剤ガスを供給する例を図８、図９に基づいて説明する。
図８（ａ），（ｂ）に示すように、燃料ガス用のマニホールド通路４１ａに燃料ガスを矢印Ａの如く供給することで、マニホールド通路４１ａの燃料ガスを複数の第３ガス通路３３に矢印Ｂの如く導くことができる。

複数の第１ガス通路３１に導かれた燃料ガスは、第１ガス通路３１を経て一対の円板部２１まで矢印Ｃの如く導かれる。
図９に示すように、一対の円板部２１まで導かれた燃料ガスは、第１ガス噴射口２１ａから集電体１２を経てＭＥＡ１１の燃料極層側に矢印Ｄの如く導かれる。

また、図８（ａ），（ｂ）に示すように、酸化剤ガス用のマニホールド通路４２ａに酸化剤ガスを矢印Ｅの如く供給することで、マニホールド通路４２ａの酸化剤ガスを複数の第４ガス通路３４に矢印Ｆの如く導くことができる。

複数の第２ガス通路３２に導かれた酸化剤ガスは、第２ガス通路３２を経て一対の円板部２１まで矢印Ｇの如く導かれる。
図９に示すように、一対の円板部２１まで導かれた酸化剤ガスは、第２ガス噴射口２１ｂから集電体１３を経てＭＥＡ１１の空気極層側に矢印Ｈの如く導かれる。

つぎに、銀メッキ層１８で連通部１６および第１通路部２５間を封止する工程を図１０に基づいて説明する。
図１０（ａ）に示すように、連通部１６のシール面１６ｂにメッキ処理を施して銀メッキ１８ａを形成する。
シール面１６ｂにメッキ処理される銀メッキ１８ａは、一例として、メッキ厚さｔが５〜３０μｍに形成される。

このように、連通部１６のシール面１６ｂのみに銀メッキ１８ａを形成することで、メッキ処理を必要な部位（すなわち、ガス通路のシール部（封止部））のみに施すことができるので、銀の使用量を少なく抑えることができる。

ここで、連通部１６は燃料ガス用のマニホールド通路４１ａを形成する連通口１６ａが形成されているだけである。
よって、連通部１６のシール面１６ｂに銀メッキ１８ａを形成する際に、セパレータ１５のように第１、第２のガス噴射口２１ａ，２１ｂをマスキング部材（図示せず）で覆う必要がない。
すなわち、燃料ガス用のマニホールド通路４１ａを形成する連通口１６ａをマスキング部材（図示せず）で覆うだけなので、マスキング部材の形状を簡素化できる。

これに対して、図４に示すセパレータ１５に銀メッキ処理を施す場合、銀メッキ処理を施す必要のない部位にまでメッキ処理を施すことが考えられ銀の使用量を抑えることが難しい。
加えて、セパレータ１５は燃料ガス用のマニホールド通路４１ａに加えて他のガス通路として第１、第２のガス噴射口２１ａ，２１ｂを備えている。

このため、セパレータ１５に銀メッキ処理を施す場合、例えば、燃料ガス用のマニホールド通路４１ａを形成する第１、第２の開口部２５ａ，２６ａを覆うとともに、第１、第２のガス噴射口２１ａ，２１ｂを覆うマスキング部材が必要になり、マスキング部材の形状が複雑になる。

図１０（ｂ）に示すように、シール面１６ｂに銀メッキ１８ａを形成した後、連通部１６を第１通路部２５と交互に積層する（連通部１６を第１通路部２５間に積層する）。

図１０（ｃ）に示すように、第１通路部２５および連通部１６に所定荷重Ｆを加え（印加し）、銀メッキ１８ａを所定温度Ｔ１で溶融（軟化）する。
所定荷重Ｆは、一例として、単位面積（１ｍｍ^２）当たり１５ｋｇｆ／ｍｍ^２（１４７Ｎ／ｍｍ^２）に比較的小さく抑えることが好ましいが、５〜２５ｋｇｆ／ｍｍ^２（４９〜２４５Ｎ／ｍｍ^２）の荷重範囲から任意に選択して設定することが可能である。
所定温度Ｔ１は、一例として、３００〜８５０℃に設定される。
これにより、連通部１６のシール面１６ｂおよび第１通路部２５間を封止する銀メッキ層１８が形成される。

以上説明したように、シール面１６ｂおよび第１通路部２５間を封止する際に、銀メッキ１８ａを所定温度Ｔ１で溶融するようにした。
よって、セパレータ１５および連通部１６に加える所定荷重Ｆを小さく抑えた状態で、連通部１６のシール面１６ｂおよびセパレータ１５間を封止できる。

このように、セパレータ１５および連通部１６に加える所定荷重Ｆを５〜２５ｋｇｆ／ｍｍ^２（４９〜２４５Ｎ／ｍｍ^２）の範囲に小さく抑えることで、銀メッキ１８ａを施すメッキ処理設備の小型化を図ることができる。

図１０（ａ）〜（ｃ）においては、連通部１６および第１通路部２５間を銀メッキ層１８で封止する工程について説明したが、連通部１６および第２通路部２６間を銀メッキ層１８で封止する工程も同様におこなうことができる。

なお、本発明に係る固定酸化物型燃料電池１０は、前述した実施例に限定されるものではなく適宜変更、改良などが可能である。
例えば、前記実施例では、セパレータ１５および連通部１６を積層して燃料ガス用や酸化剤ガス用のマニホールド４１，４２を形成した例について説明したが、これに限らないで、セパレータ１５のみを積層して燃料ガス用や酸化剤ガス用のマニホールドを形成することも可能である。
そして、燃料ガス用や酸化剤ガス用のマニホールドの継目を封止するために、セパレータ間に銀メッキ層を設け、銀メッキ層をシール部として用いることができる。
ここで、銀メッキ層１８は導電性に優れているので、セパレータ１５間に絶縁性の部材を介在させることで、セパレータ１５間の電気的絶縁を確保する必要がある。

また、前記実施例では、連通部１６をアルミナ（酸化アルミニウム）で形成した例について説明したが、これに限らないで、連通部１６を樹脂などの他の絶縁性材料（絶縁材料）で形成することも可能である。

さらに、前記実施例で示した固定酸化物型燃料電池１０、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１、セパレータ１５、連通部１６、シール面１６ｂ、銀メッキ層１８、第１通路部２５、第１開口部２５ａ、第２通路部２６、第２開口部２６ａ、継目３７，３８、燃料ガス用のマニホールド４１および酸化剤ガス用のマニホールド４２などの形状や構成は例示したものに限定するものではなく適宜変更が可能である。

本発明は、膜電極接合体にセパレータを積層してマニホールドを形成し、マニホールドから燃料ガスや酸化剤ガスを膜電極接合体に供給する固定酸化物型燃料電池への適用に好適である。

１０…固定酸化物型燃料電池、１１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、１５…セパレータ、１６…連通部、１６ｂ…シール面、１８…銀メッキ層、１８ａ…銀メッキ、２５…第１通路部（通路部）、２５ａ…第１開口部（開口部）、２６…第２通路部（通路部）、２６ａ…第２開口部（開口部）、３７，３８…継目（マニホールドの継目）、４１…燃料ガス用のマニホールド（マニホールド）、４２…酸化剤ガス用のマニホールド（マニホールド）、Ｆ…所定荷重、ｔ…メッキ厚さ、Ｔ１…所定温度。

Claims

膜電極接合体の両端にセパレータが積層されることにより、前記セパレータに備えた開口部が同軸上に連通されてマニホールドが形成され、前記マニホールドを経て燃料ガス、酸化剤ガスを前記膜電極接合体に供給する固定酸化物型燃料電池において、
前記セパレータを積層して形成された前記マニホールドの継目を封止するために、前記セパレータ間に銀メッキ層を設け、前記銀メッキ層をシール部として用いることを特徴とする固定酸化物型燃料電池。
前記セパレータ間に絶縁性の連通部が配置されることにより、前記連通部に備えた連通口で前記セパレータの開口部が連通され、
前記連通部のうち、前記セパレータに接触するシール面に前記銀メッキ層を設けたことを特徴とする請求項１記載の固定酸化物型燃料電池。
前記銀メッキ層は、
前記連通部のシール面に銀メッキを施した後、前記セパレータ間に前記連通部を配置し、
前記セパレータおよび前記連通部に所定荷重を加え、
前記銀メッキを所定温度で溶融することにより前記連通部のシール面および前記セパレータ間を封止するように形成されたことを特徴とする請求項１記載の固定酸化物型燃料電池。