JP2016146253A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単位燃料電池と環状シール材との間からのガス漏れを抑制できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】実施形態の燃料電池スタックは、複数の単位燃料電池と、これらの単位燃料電池間に配置される環状シール材とを有する。環状シール材は、環状部分の厚さを幅方向に変化させたものである。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は燃料電池スタックに関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、高温で作動することから種々の燃料を改質せずに利用できるとともに、電気エネルギーへの変換効率が高いことから、将来の分散電源の１つとして期待されている。ＳＯＦＣは、積層構造の違いにより平板構造と円筒構造とに大別される。平板構造のＳＯＦＣは、積層数を増やすことにより起電力を大きくできることから、高出力化技術の１つとして期待されている。

平板構造のＳＯＦＣは、例えば、環状シール材を介して複数の単位燃料電池を積層するとともに、これらを積層方向の両側から締付部によって締め付けることにより製造されている。通常、締付部は、平板構造のＳＯＦＣにおける外縁部付近に設けられている。

しかし、外縁部付近に締付部が設けられている場合、環状シール材の内縁部側の面圧が低下しやすくなる。面圧が低下した部分があると、単位燃料電池と環状シール材との間から発電に利用されるガスが漏れやすく、電気エネルギーへの変換効率が低下しやすい。

特開２０１２−１３３８９２号公報 特開２０１２−１２９１４８号公報 特開２０１１−２２８１７１号公報 特開２０１０−２５１０１５号公報

本発明が解決しようとする課題は、単位燃料電池と環状シール材との間からのガス漏れを抑制できる燃料電池スタックを提供することである。

実施形態の燃料電池スタックは、複数の単位燃料電池と、これらの単位燃料電池間に配置される環状シール材とを有する。環状シール材は、環状部分の厚さを幅方向に変化させたものである。

本発明に係る燃料電池スタックによれば、環状部分における面圧の部分的な低下を抑制でき、単位燃料電池と環状シール材との間からのガス漏れを抑制することができる。

第１の実施形態の燃料電池スタックを示した側面図である。 第１の実施形態の燃料電池スタックに使用される単位燃料電池とこれに積層される環状シール材とを示した平面図である。 図２のＡ−Ａ線における断面図であって、単位燃料電池と環状シール材とを分離して示した断面図である。 第２の実施形態の燃料電池スタックに使用される単位燃料電池とこれに積層される環状シール材とを分離して示した断面図である。 実施例の燃料電池スタックにおける環状シール材の面圧分布を示す図である。

以下、実施形態の燃料電池スタックについて説明する。
実施形態の燃料電池スタックは、複数の単位燃料電池と、これらの単位燃料電池間に配置される環状シール材とを有する。環状シール材は、環状部分の厚さを幅方向に変化させたものである。

ここで、幅方向とは環状シール材の環状部分（線状部分）における内縁部と外縁部とを結ぶ方向であり、幅方向の内側は内縁部側であり、幅方向の外側は外縁部側である。また、環状部分の厚さは、燃料電池スタックに組み込まれる前の環状シール材を観察したときに変化していればよく、燃料電池スタックに組み込まれた環状シール材を観察したときには変化していなくてもよい。

実施形態の燃料電池スタックによれば、環状シール材の環状部分の厚さを幅方向に変化させることにより、環状部分における面圧の部分的な低下、特に、幅方向における面圧の部分的な低下を抑制できる。これにより、単位燃料電池と環状シール材との間からのガス漏れを抑制できる。

特に、環状部分の厚さを幅方向の外側に向けて減少させることにより、燃料電池スタックの外縁部付近を締付部により締め付けるものにおいて、内縁部側における面圧の低下を抑制できる。これにより、単位燃料電池と環状シール材との間からのガス漏れを抑制できる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の燃料電池スタックを模式的に示した側面図である。図２は、第１の実施形態の燃料電池スタックに使用される単位燃料電池とこれに積層される環状シール材とを示した平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図であって、単位燃料電池と環状シール材とを分離して示した断面図である。

図１に示されるように、燃料電池スタック１０においては、複数の単位燃料電池１１が環状シール材１２を介して積層されて積層体１３を構成している。なお、積層体１３の最上部については、環状シール材１２を介して平板状セパレータ１４が積層されている。

積層体１３の一方の主面側（図中、上側）には、第１の絶縁シート１５を介して第１のエンドプレート１６が積層されている。また、積層体１３の他方の主面側（図中、下側）には、第２の絶縁シート１７を介して第２のエンドプレート１８が積層されている。そして、積層体１３、第１の絶縁シート１５、第１のエンドプレート１６、第２の絶縁シート１７、および第２のエンドプレート１８により、被締付部２１が構成されている。

被締付部２１は、締付部２２により積層方向の両側から締め付けられている。締付部２２は、例えば、ボルト２３およびナット２４から構成されている。ボルト２３と被締付部２１との間には第１のワッシャ２５が配置され、ナット２４と被締付部２１との間には第２のワッシャ２６が配置されている。

図２に示されるように、単位燃料電池１１には、主として発電に使用されるセル３１が収容されている。セル３１は、単位燃料電池１１に設けられた開口部３２から一部が露出されている。開口部３２は、例えば、四角形状に設けられている。

単位燃料電池１１には、燃料ガスや空気をセル３１に供給するためのガス孔３３が設けられている。ガス孔３３は、単位燃料電池１１を貫通するように設けられている。ガス孔３３は、例えば、四角形状の開口部３２の各辺の外側に１個ずつ設けられ、開口部３２を挟んで対向する１組が燃料ガスの流路として用いられ、他の１組が空気の流路として用いられる。

単位燃料電池１１には、さらに、締付部２２が挿入される締付孔３４が設けられている。締付孔３４は、単位燃料電池１１を貫通するように設けられている。締付孔３４は、例えば、ガス孔３３よりも外側の位置において、全体として略円形状となるように、かつ互いの間隔が略等間隔となるように１２個が設けられている。

環状シール材１２は、単位燃料電池１１の開口部３２やガス孔３３からのガス漏れを抑制するために設けられている。環状シール材１２は、単位燃料電池１１の開口部３２に沿って設けられる環状部分３５を有する。環状部分３５は、基本的には単位燃料電池１１の開口部３２に沿って一定の幅に設けられているが、単位燃料電池１１のガス孔３３が設けられている部分については、この単位燃料電池１１のガス孔３３を含めるように幅が広く設けられている。なお、環状シール材１２についても、例えば、単位燃料電池１１の開口部３２やガス孔３３と同様の位置および大きさに、開口部３２やガス孔３３が設けられている。

図３に示されるように、単位燃料電池１１は、セル３１を収容するための凹部４１が設けられた凹状セパレータ４２を有する。凹状セパレータ４２には、凹部４１の外縁部よりも外側の位置にガス孔３３および図示しない締付孔３４が設けられている。

凹状セパレータ４２の凹部４１が設けられた主面側には、金属薄板４３が積層されている。金属薄板４３には、セル３１の一部を露出させる開口部３２が設けられている。また、金属薄板４３には、凹状セパレータ４２における凹部４１の外縁部よりも外側の位置にガス孔３３および図示しない締付孔３４が設けられている。

セル３１は、セル本体５１、第１の集電体５２、および第２の集電体５３を有する。セル本体５１は、固体電解質体、燃料極、および空気極を有する。燃料極は、固体電解質体の一方の主面側に設けられ、空気極は、固体電解質体の他方の主面側に設けられる。凹状セパレータ４２の各ガス孔３３は、燃料極に燃料ガスを供給するように、または空気極に空気を供給するように所定の形状に形成されている。

固体電解質体は、例えば、ＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックからなる。

燃料極は、例えば、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属と、ＺｒＯ_２系セラミック、ＣｅＯ_２系セラミック等のセラミックとの混合物、または、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属からなる。空気極は、例えば、各種の金属、金属酸化物等からなる。

本実施形態における環状シール材１２は、環状部分３５の厚さを幅方向に変化させたものであり、特に、外縁部の厚さを内縁部の厚さよりも薄くし、かつ幅方向の外側に向けて厚さを連続的に減少させたものである。

環状部分３５の厚さを幅方向に変化させることにより、環状シール材１２を介して単位燃料電池１１を積層したとき、その厚さの違いによる潰れの違いを利用して、環状部分３５の幅方向における面圧の部分的な低下を抑制できる。これにより、単位燃料電池１１と環状シール材１２との間からのガス漏れを抑制できる。

特に、環状部分３５の厚さを幅方向の外側に向けて減少させることにより、燃料電池スタック１０の外縁部付近が締付部２２により締め付けられるものにおいて、環状部分３５の内縁部側における面圧の低下を抑制できる。また、環状部分３５の厚さを連続的に減少させることにより、環状部分３５における面圧をきめ細かく調整できる。

この環状部分３５の厚さの最大値と最小値は、一定厚さの場合の潰れ量の差で決まる。すなわち、最大潰れ量＝厚さの最大値、最小潰れ量＝厚さの最小値となるように傾斜を与えれば、潰れ量は内縁、外縁で等しくなる。但し、潰れ量はスタックの層数（被締付側の剛性）とボルトの本数・トルク（締付側の剛性）等によって変動するので、比や最大値、最小値で一律に表すことはできない。あえて定量化する場合は、以下に示す例１、例２が挙げられる。
例１）層数５、ボルトＭ２０−１２本、トルク３７Ｎ・ｍの場合に最大厚さ０．６８ｍｍ、最小厚さ０．５５ｍｍ
例２）層数２０、ボルトＭ２０−１２本、トルク５９Ｎ・ｍの場合に最大厚さ０．７４ｍｍ、最小厚さ０．５５ｍｍ
この例１、例２は、有限要素解析（接触、熱応力解析）で求めたものである。

また、環状部分３５は、燃料電池スタック１０としたとき、環状部分３５の幅方向におけるいずれの位置においても面圧が２７ＭＰａ以上となることが好ましい。

さらに、環状部分３５は、燃料電池スタック１０としたとき、環状部分３５の幅方向における面圧の最大値（Ｐ_１）と最小値（Ｐ_２）との差（Ｐ_１−Ｐ_２）が０ＭＰａに近いほど好ましい。最大値と最小値に差があっても最小値が２７ＭＰａ以上、ボルト応力が６５ＭＰａ以下であれば良い。

環状部分３５の厚さは、例えば、厚さを幅方向に一定にしたときの面圧または潰れ量に基づいて調整することが好ましく、特に、厚さを幅方向に一定にしたものについて有限要素法（ＦＥＭ）により得られる面圧または潰れ量に基づいて調整することが好ましい。具体的には、面圧が高くなる部分を薄くし、面圧が低くなる部分を厚くすることが好ましい。また、潰れ量が多くなる部分を薄くし、潰れ量が少なくなる部分を厚くすることが好ましい。

環状シール材１２は、単一の層からなるものでもよいし、複数の層からなるものでもよい。複数の層からなる場合、各層は、同一の材料からなるものでもよいし、異なる材料からなるものでもよい。環状シール材１２は、例えば、金型等を使用して原料を所定の形状に成形する方法により製造できる。また、環状シール材１２は、例えば、原料をシートに成形した後、このシートを所定の大きさに切断して積層する方法により製造できる。

環状シール材１２の材料としては、面圧によって潰れることでシール性を得られる材料が好ましく、スタックを構成する材料よりも柔らかく、潰れることでシールできればヤング率９７ＭＰａ以外でも使用可能である。シール材は、例えば、燃料電池用ガスケット材料（バーミキュライト（蛭石）、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、シリコーン樹脂、ゴム）が挙げられる。

以上、第１の実施形態の燃料電池スタック１０について説明したが、環状部分３５の厚さを連続的に減少させる方法としては、図示するように環状部分３５の一方の主面側のみに傾斜部を設ける方法が代表的な方法として挙げられるが、環状部分３５の両方の主面側に傾斜部を設ける方法を採用してもよい。また、環状部分３５の厚さを連続的に減少させる方法としては、図示するように直線状に減少させる方法が代表的な方法として挙げられるが、曲線状に減少させる方法を採用してもよい。直線状に減少させるときの直線の傾き、曲線状に減少させるときの曲線の曲率は、幅方向の途中で変化させてもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の燃料電池スタックについて説明する。
図４は、第２の実施形態の燃料電池スタック１０に使用される単位燃料電池１１とこれに積層される環状シール材１２aとを分離して示した断面図である。なお、第２の実施形態の燃料電池スタック１０は、環状シール材１２aの環状部分３５の断面形状が異なることを除いて第１の実施形態の燃料電池スタック１０と同様であることから、環状シール材１２aの環状部分３５の断面形状についてのみ説明し、他の部分については説明を省略する。

第２の実施形態における環状シール材１２aは、環状部分３５の厚さを幅方向の外側に向けて断続的に減少させたものであり、環状部分３５の一方の主面側に段差部を設けたものである。環状部分３５の厚さを断続的に減少させた場合でも、環状部分３５の幅方向における面圧の部分的な低下を抑制できる。これにより、単位燃料電池１１と環状シール材１２aとの間からのガス漏れを低減できる。

環状部分３５の厚さを幅方向の外側に向けて断続的に減少させる方法としては、一方の主面側に段差部を設ける方法が代表的な方法として挙げられるが、両方の主面側に段差部を設ける方法を採用してもよい。この際、段差部の個数や各段差部の高さは、必要に応じて適宜決定できる。

第２の実施形態における環状シール材１２aは、原料をシートに成形した後、このシートを所定の大きさに切断して積層する方法により製造できる。例えば、内縁部の大きさが同一で、外縁部の大きさが順次小さくなるような複数のシートを積層することにより、一方の主面側に段差部を有する環状シール材１２aを製造できる。第２の実施形態における環状シール材１２aは、このような方法により容易に段差部を形成できることから生産性に優れるために好ましい。

以上、第１、第２の実施形態の燃料電池スタック１０について説明したが、環状部分３５の厚さは必要に応じて幅方向の外側に向けて増加させてもよい。また、環状部分３５の厚さは、幅方向の外側に向けて単に減少または増加させるだけでなく、必要に応じて減少と増加とを組み合わせてもよい。

さらに、環状部分３５は、厚さが連続的に変化する部分と、厚さが一定の部分とを幅方向に有するものでもよい。また、厚さが幅方向に変化する部分は、環状部分３５の周方向の全体に設けられることが好ましいが、必要に応じて周方向の一部に厚さが一定の部分を設けることができる。

以下、実施形態の燃料電池スタックについて、実施例を参照して具体的に説明する。
なお、実施形態の燃料電池スタックは、これらの実施例によって限定されない

（実施例１）
図１〜３に示すような燃料電池スタック１０を製造した。すなわち、環状シール材１２を介して単位燃料電池１１を積層し、最上部に環状シール材１２を介して平板状セパレータ１４を積層して積層体１３とした。この積層体１３の一方の主面側に第１の絶縁シート１５を介して第１のエンドプレート１６を積層し、他方の主面側に第２の絶縁シート１７を介して第２のエンドプレート１８を積層することにより被締付部２１とした。この被締付部２１の外縁部付近をボルト２３およびナット２４から構成される締付部２２により積層方向の両側から締め付けて燃料電池スタック１０とした。なお、ボルト２３と被締付部２１との間には第１のワッシャ２５を配置し、ナット２４と被締付部２１との間には第２のワッシャ２６を配置した。

燃料電池スタック１０の外形は２００ｍｍ×２００ｍｍの四角形状とした。締付孔３４は、燃料電池スタック１０の外縁部付近に、全体として略円形状となるように、かつ略等間隔になるように１２個設けた。なお、締付孔３４の直径は２１ｍｍとした。凹状セパレータ４２、金属薄板４３、平板状セパレータ１４、第１のエンドプレート１６、第２のエンドプレート１８は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）からなるものとした。ボルト２３およびナット２４には、ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ７１８）からなるねじの呼びがＭ２０であるものを使用した。

環状シール材１２は、ヤング率が９７ＭＰａの材料からなるものとした。環状部分３５の幅（内縁部から外縁部までの長さ）は、ガス孔３３が設けられている位置で５０ｍｍである。環状部分３５の厚さは、内縁部の厚さを０．６８ｍｍ、外縁部の厚さを０．５５ｍｍとし、一方の主面側に直線状の傾斜部を設ける方法により外縁部側に向けて連続的に減少させた。なお、環状部分３５の厚さは、単位燃料電池１１に環状シール材１２を積層する前の厚さであり、環状シール材１２が潰れる前の厚さである。

（比較例１）
環状シール材の厚さを０．５５ｍｍで幅方向に一定にした以外は、実施例１の燃料電池スタックと同様とした。

図５は、実施例１および比較例１の燃料電池スタックにおける環状シール材の面圧分布を示した図であり、特に、図２のＡ−Ａ線で示されるように環状部分のうちガス孔が設けられている部分における内縁部から外縁部までの面圧分布を示した図である。図中、距離は、内縁部から外縁部へと向かう距離を示す。なお、面圧分布は、有限要素解析により求めた。

図５に示されるように、実施例１の燃料電池スタックによれば、環状シール材の環状部分における面圧を幅方向の全体で２０ＭＰａ以上にでき、かつ面圧を幅方向の全体でほぼ一定にできる。一方、比較例１の燃料電池スタックは、外縁部側では面圧を２０ＭＰａ以上にできるが、内縁部側では面圧が２０ＭＰａ未満になる。
なお、図５において実施例１、比較例１がガス孔周囲において面圧が示されていないのは、環状シール材が潰れてガス孔部分にはみ出し、面圧が得られないからである。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…燃料電池スタック、１１…単位燃料電池、１２，１２a…環状シール材、１３…積層体、１４…平板状セパレータ、１５…第１の絶縁シート、１６…第１のエンドプレート、１７…第２の絶縁シート、１８…第２のエンドプレート、２１…被締付部、２２…締付部、２３…ボルト、２４…ナット、２５…第１のワッシャ、２６…第２のワッシャ、３１…セル、３２…開口部、３３…ガス孔、３４…締付孔、３５…環状部分、４１…凹部、４２…凹状セパレータ、５１…セル本体、５２…第１の集電体、５３…第２の集電体。

Claims (7)

1. 複数の単位燃料電池と、
   前記単位燃料電池間に配置され、環状部分の厚さを幅方向に変化させた環状シール材と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記環状部分の厚さを幅方向の外側に向けて減少させたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 前記環状部分の厚さを幅方向の外側に向けて連続的に減少させたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
4. 前記環状部分の厚さを幅方向の外側に向けて断続的に減少させたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
5. 前記環状部分の幅方向における面圧の最大値（Ｐ_１）と最小値（Ｐ_２）との差（Ｐ_１−Ｐ_２）がゼロに近いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
6. 前記環状部分の厚さは、厚さを幅方向に一定にしたときの面圧または潰れ量に基づいて調整したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池スタック。
7. 前記単位燃料電池が前記環状シール材を介して積層された被締付部と、
   前記被締付部を積層方向の両側から締め付ける締付部と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池スタック。

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