JP2023170965A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向からの入力に対して流路断面積の減少を抑制し得る燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料極と空気極とで電解質を挟んで形成された発電セルと、発電セルの燃料極側の面に接続された燃料極集電体と、発電セルの空気極側の面に接続された空気極集電体と、いずれかの集電体と電気的に接続されたセパレータとを有する燃料電池ユニットを積層してなる燃料電池スタックにおいて、いずれか一方の集電体は、底部と壁部とバネ部とを有し、積層状態でバネ部は隣接する燃料電池ユニットのセパレータと接合され、バネ部及び壁部によって、電極とセパレータとの間に積層方向と直交する方向に延びかつ互いに平行な複数の流路が形成され、複数の壁部の配置と複数のバネ部の延びる方向は、複数の流路のうちの中央の流路に対して線対称となっていることを特徴とする燃料電池スタック。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックを形成するために燃料電池ユニットを積層する際には、組付けられる部品同士が密着した状態で組み付ける必要がある。特許文献１には、セパレータを押圧する第１バネ部材と、第１バネ部材とは独立してセパレータを押圧する第２バネ部材を設けることによって部品同士を密着させる構成が開示されている。

国際公開第２０１９／０５８９０２号公報

上記文献の第１バネ部材及び第２バネ部材はいずれも、基板から片持ち梁となるように起立させて形成された弾性変形可能な複数のバネ部（第１起立片、第２起立片）を有する。そして、第１バネ部材と第２バネ部材のばね定数は異なる。

このような構成において積層方向から入力があると、バネ部を倒そうとする曲げモーメントが発生し、これによって基板には、セルとの接合面内の一方向を向いた力が作用する。つまり、例えば燃料電池システムの運転中に振動等の入力があると、第１バネ部材及び第２バネ部材が倒れて基板が沈み込むおそれがある。そして、基板が沈み込むと、セパレータと集電体との間に形成されているガスの流通路の流路断面積が減少し、圧損が増大してしまう。

そこで本発明では、振動等により積層方向からの入力があった場合でも流路断面積の減少を抑制し得る燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料極と空気極とで電解質を挟んで形成された発電セルと、発電セルの燃料極側の面に接続された燃料極集電体と、発電セルの空気極側の面に接続された空気極集電体と、燃料極集電体または空気極集電体と電気的に接続されたセパレータと、を有する燃料電池ユニットを積層してなる燃料電池スタックが提供される。燃料極集電体または空気極集電体の少なくとも一方は、燃料極または空気極に導電性を有する接合部を介して接続された底部と、底部から突出する複数の壁部と、複数の壁部の上端部から延びていて積層方向からの入力に対して壁部の上端部を支点として変形可能な複数のバネ部と、を有する。複数の燃料電池ユニットが積層された状態で、バネ部は隣接する燃料電池ユニットのセパレータと接合され、複数のバネ部及び複数の壁部によって、底部が接続される電極と、隣接する燃料電池ユニットのセパレータとの間に積層方向と直交する方向に延びかつ互いに平行な複数の流路が形成され、複数の壁部の配置と複数のバネ部の延びる方向は、複数の流路のうちの中央の流路に対して線対称となっている。

上記態様によれば、積層方向からの入力があった場合でも流路断面積の減少を抑制することができる。

図１は、実施形態にかかる燃料電池ユニットの斜視図である。 図２は、図１のII－II線に沿った断面図である。 図３は、壁部及びバネ部の寸法等について説明するための図である。 図４は、実施形態にかかる燃料電池スタックの断面図である。 図５は、セパレータに凹凸がある場合の燃料電池スタックの断面図である。 図６は、積層方向から入力があった場合に壁部及びバネ部に生じる力を示す図である。 図７は、変形例にかかる燃料電池スタックの断面図である。 図８Ａは、変形例の構成において、積層方向からの入力があったときの状態を示す図である。 図８Ｂは、実施形態の構成において、積層方向からの入力があったときの状態を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、図面において、各部材の大きさや比率等は実際のものとは異なる場合がある。

図１は燃料電池スタック２００を形成する燃料電池ユニット１００の斜視図である。図２は図２１のII－II線に沿った断面図である。本実施形態では、車両に搭載される固体酸化物形燃料電池を例として説明する。

本実施形態の燃料電池スタック２００は、複数の燃料電池ユニット１００を、圧縮シール１０と非圧縮シール１３を介して、図中のｚ方向（以下、この方向を積層方向ともいう。）に積層して形成される。

燃料電池ユニット１００は、燃料極５と空気極４とで電解質３を挟んで形成された発電セル１と、発電セル１の燃料極５側の面に接続された燃料極集電体７と、発電セル１の空気極４側の面に接続された空気極集電体２と、燃料極集電体７と電気的に接続されたセパレータ６と、を有する。

燃料極５及び空気極４は、金属多孔質層を備える。燃料極集電体７、空気極集電体２及びセパレータ６は、アルミニウムを含有するステンレス材により形成されている。

また、燃料電池ユニット１００は、アノードガス流出口１１Ａ、１１Ｂと、アノードガス流入口１２Ａ、１２Ｂを備える。アノードガス流出口１１Ａ、１１Ｂから流出したアノードガスは、燃料極５とセパレータ６との間に形成されたアノード流路を通過して、アノードガス流入口１２Ａ、１２Ｂに流入する。

圧縮シール１０は、空気極４の表面に配置され、積層される際に積層方向から印加される拘束圧により圧縮変形する。非圧縮シール１３は、燃料極５の表面に配置され、燃料極５及びセパレータ６と接合されている。

燃料極集電体７は、積層方向に突出し且つｙ方向に延びるリブ７Ａを複数備える。複数のリブ７Ａは平行に並んでいる。なお、リブ７Ａはプレス加工等により形成される。燃料極集電体７は、燃料極５に導電性を有する接合部２０Ｂを介して接合されており、セパレータ６に対しても導電性を有する接合部２０Ｃを介して接合されている。接合部２０Ｂ、２０Ｃは、いずれも導電性を確保できる接合方法により接合されたものである。接合方法としては、溶接、拡散接合等を用いることができるが、導電性の観点から溶接が望ましい。

空気極集電体２は、底部２Ａと、複数の壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃを備える。底部２Ａは、空気極に導電性を有する接合部２０Ａを介して接続されている。壁部２Ｂは、底部２Ａから突出している。バネ部２Ｃは、壁部２Ｂの上端部から壁部２Ｂの突出方向に対して後述する所定の角度をもった方向に延び、積層方向からの入力に対して壁部２Ｂの上端部を支点として変形可能である。つまり、壁部２Ｂとバネ部２Ｃはいわゆる片持ち梁を形成する。なお、壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃはプレス加工等により形成される。

ここで、壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃの寸法等について説明する。図３に示すように、壁部２Ｂの空気極４表面からの積層方向寸法（高さともいう。）をＡ、バネ部２Ｃの先端部の高さをＤ、圧縮シール１０の積層状態における高さをＢ、非圧縮シール１３の高さをＣとすると、Ｃ≦Ａ＜ＢかつＤ≧Ｂの関係が成立する。

バネ部２Ｃが延びる方向に関する「所定の角度」は、上記関係が成立する範囲で任意に設定し得るものである。

また、空気極４表面と壁部２Ｂのなす角度をθとすると、θ≦９０°の関係が成立する。

図４は、上述した燃料電池ユニット１００を積層した状態の断面図である。

積層された状態では、圧縮シール１０は積層方向に圧縮され、バネ部２Ｃは壁部２Ｂの上端を支点として底部２Ａに近づく方向に曲げ変形した状態となる。この状態でバネ部２Ｃと隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６とが接合部２０Ｅを介して接合されている。この接合部２０Ｅと、接合部２０Ａと空気極４との接合部２０Ａとはいずれも導電性を確保できる接合方法により接合されたものであり、いずれか一方には溶接が、他方には拡散接合が用いられる。導電性の観点からは両方とも溶接することが望ましいが、積層工程上、いずれか一方が溶接された状態で他方を溶接することができないからである。

また、積層された状態で、複数のバネ部２Ｃ及び複数の壁部２Ｂによって、底部２Ａが接続される空気極４と、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６との間に積層方向と直交する方向に延びかつ互いに平行な複数のカソード流路２１が形成される。複数の壁部２Ｂの配置と複数のバネ部２Ｃの延びる方向は、複数のカソード流路２１のうちの中央のカソード流路２１に対して線対称となっている。なお、図４ではバネ部２Ｃが互いに向かい合う方向に延びる一対の壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃが示されているが、実際の燃料電池ユニット１００では、この一対の壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃがｘ方向に複数並ぶ。

また、積層方向から見た場合に、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６と、バネ部２Ｃとの接合部２０Ｅと、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６と、隣接する燃料電池ユニット１００の燃料極集電体７との接合部２０Ｃと、に重なり合う部分がある。

次に、燃料電池スタック２００を上記構成にしたことによる効果について説明する。

図５及び図６は、本実施形態に係る燃料電池スタック２００の一部の断面図である。

燃料電池ユニット１００を構成する部品には、公差の範囲内で寸法や形状のバラつきが生じることがある。例えば図５に示すように燃料極集電体７のリブ７Ａの高さにバラつきがある場合には、リブ７Ａに接合されることでセパレータ６が変形し、凹凸が生じる。このようなセパレータ６に凹凸が生じている燃料電池ユニット１００を他の燃料電池ユニット１００に積層すると、リブ７Ａの高さが他より低い部分では両燃料電池ユニット１００の接合部に隙間が生じて接合面積が減少し、集電部の抵抗値が増大するおそれがある。また、リブ７Ａの高さが他より高い部分では、各集電体２、７やセパレータ６に過大な力が加わるおそれがある。

しかし、本実施形態の構成によれば、バネ部２Ｃが変形することでセパレータ６の凹凸を吸収することができる。すなわち、図５に示すように左側のリブ７Ａの高さ（つまり、図中下向きの突出量）が右側のリブ７Ａの高さより低い場合には、右側のバネ部２Ｃが左側のバネ部２Ｃよりも大きく変形することで、セパレータ６の凹凸を吸収し、左右両方の接合部で適切な接合面積を確保し、かつ過大な入力を回避できる。

また、車載用の燃料電池スタック２００には、運転中に振動等によって積層方向の力が入力される場合がある。この場合、上述した通りバネ部２Ｃには壁部２Ｂの上端を支点として底部２Ａに近づく向きのモーメントが発生し、バネ部２Ｃにはセパレータ６との接合面において滑ろうとする力が働く。仮にすべてのバネ部２Ｃが同一方向に延びる構成とすると、各部の接合強度や外周部の摩擦力が不足した場合には全てのバネ部２Ｃが上記モーメントに応じて沈み込み、その結果、カソード流路２１の流路断面積が減少し、圧損が増大してしまう。

しかし本実施形態では、互いに向かい合う方向に延びる一対のバネ部２Ｃが複数設けられているので、図６に示すように、バネ部２Ｃにかかる滑り方向の力（図中のＰ１ＬとＰ１Ｒ）が相殺され、壁部２Ｂにかかる積層方向の力（図中のＰ２ＬとＰ２Ｒ）のみとなる。そして、積層方向の力に対しては壁部２Ｂ及び圧縮シール１０により対応可能である。したがって、上述した沈み込みによって流路断面積が減少して圧損が増大するという事態が生じることはない。

次に、本実施形態の変形例について説明する。本変形例も上述した実施形態と同様に本発明の範囲に属する。

図７は本変形例に係る燃料電池スタック２００の一部の断面図である。図８Ａは、本変形例に係る燃料電池スタック２００の、リブ７Ａとバネ部２Ｃとがセパレータ６を介して対向する部分の拡大図である。図８Ｂは、図４に示した燃料電池スタック２００の、リブ７Ａとバネ部２Ｃとがセパレータ６を介して対向する部分の拡大図である。

図７に示す燃料電池スタック２００と図４に示す燃料電池スタック２００との相違点は、積層方向から見た場合に、一の燃料電池ユニット１００のバネ部２Ｃと隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６との接合部２０Ｅの幅（図中のＤ２）が、燃料極集電体７のリブ７Ａとセパレータ６とが接触する部分の幅（図中のＤ１）より大きい点である。ここでいう「幅」とは、積層方向（ｚ方向）に直交し、かつカソードガス流路のガスの流れる方向（ｙ方向）に直交する方向、つまりｚ方向の寸法である。

積層方向からの入力Ｐ１があると、その入力Ｐ１はリブ７Ａを介してセパレータ６へ伝達され（図８Ａ、８ＢのＰ２、Ｐ３、Ｐ４）、さらにセパレータ６からバネ部２Ｃへ伝達される。このとき、図８Ａに示す通り接合部２０Ｅの幅Ｄ２がリブ７Ａとセパレータ６とが接触する部分の幅Ｄ１より大きければ、セパレータ６の入力Ｐ４を受ける部分は全てバネ部２Ｃと接合されている。したがって、入力Ｐ４の全てをバネ部２Ｃで受けることができる。

これに対し、図８Ｂに示す通りリブ７Ａとセパレータ６とが接触する部分の幅Ｄ１が接合部２０Ｅの幅Ｄ２より大きいと、セパレータ６の入力Ｐ４を受ける部分の一部は、バネ部２Ｃと接合されていない。したがって、セパレータ６のバネ部２Ｃと接合されていない部分は、接合されている部分に比べて大きな応力がかかることとなる。この場合でも、入力Ｐ４の一部はバネ部２Ｃで受けることができるので、ただちに強度上の問題が生じるわけではない。

上記の通り、図８Ｂに示した構成でも強度上の問題が生じるわけではないが、耐久性の観点からすると、図８Ａに示した本変形例の構成の方が、セパレータ６にかかる応力が小さくなる分、有利である。換言すると、本変形例の構成は、燃料電池スタック２００の耐久性をより向上させることができる。

なお、上記説明では、バネ部２Ｃが互いに向かい合う方向に延びる一対の壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃがｘ方向に複数並ぶ構成について説明したが、壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃの配置及びバネ部２Ｃの延びる方向はこれに限られるわけではなく、図６に示した滑り方向の力Ｐ１ＬとＰ１Ｒがユニット全体として相殺される構成であればよい。例えば、複数のカソード流路２１のうちの中央の流路に対して、一方の側にあるバネ部２Ｃは全て同じ方向に延び、他方の側にあるバネ部２Ｃは、すべて一方の側にあるバネ部２Ｃとは反対方向に延びる構成であってもよい。

また、上記説明では、燃料電池ユニット１００の状態でセパレータ６が燃料極集電体７に接合されている形態について説明したが、燃料電池ユニット１００の状態でセパレータ６が空気極集電体２に接合されていてもよい。この場合、空気極集電体２が上記説明における燃料極集電体７と同様に複数のリブを有する形状、燃料極集電体７が上記説明における空気極集電体２と同様に底部と複数の壁部及びバネ部を有する形状になる。

以上のように本実施形態では、燃料極５と空気極４とで電解質３を挟んで形成された発電セル１と、発電セル１の燃料極５側の面に接続された燃料極集電体７と、発電セル１の空気極４側の面に接続された空気極集電体２と、燃料極集電体７または空気極集電体２と電気的に接続されたセパレータ６と、を有する燃料電池ユニット１００を積層してなる燃料電池スタック２００が提供される。この燃料電池スタック２００において、燃料極集電体７または空気極集電体２の少なくとも一方は、燃料極５または空気極４に導電性を有する接合部を介して接続された底部２Ａと、底部２Ａから突出する複数の壁部２Ｂと、複数の壁部２Ｂの上端部から延びていて積層方向からの入力に対して壁部２Ｂの上端部を支点として変形可能な複数のバネ部２Ｃと、を有する。そして、複数の燃料電池ユニット１００が積層された状態で、バネ部２Ｃは隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６と接合され、複数のバネ部２Ｃ及び複数の壁部２Ｂによって、底部２Ａが接続される電極と、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６との間に積層方向と直交する方向に延びかつ互いに平行な複数の流路２１が形成され、複数の壁部２Ｂの配置と複数のバネ部２Ｃの延びる方向は、複数の流路２１のうちの中央の流路２１に対して線対称となっている。

これにより、積層後の状態において、積層方向からの入力により発生する滑り方向（ｘ方向）の力が相殺されて積層方向の応力及びクリープ力に対する強度が向上するので、積層方向からの入力によってガス流路の流路断面積が減少することを抑制できる。また、積層時にバネ部２Ｃがセパレータ６の積層方向の変位を吸収するので、セパレータ６に凹凸が生じていても接合面積の減少が抑制される。つまり、接触抵抗の低減を図ることができる。

本実施形態では、燃料極５及び空気極４の少なくとも一方は、金属多孔質層を有する。これにより、集電体との接合に金属接合（例えば、溶接、拡散接合、ロウ付け等）を用いることができるので、接触抵抗をより低減することができる。

本実施形態では、壁部２Ｂのバネ部２Ｃが延びる側の面と底部２Ａとがなす角度は９０度以下である。これにより、セパレータ６との接合後の、積層方向の強度の向上を図ることができる。また、プレス加工において必要となる抜き勾配を持たせることができる。

本実施形態では、積層方向から見た場合に、バネ部２Ｃと、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６との接合部２０Ｅと、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６と、隣接する燃料電池ユニット１００の電極集電体とが接触する部分と、に重なり合う部分がある。これにより、積層工程時や運転時における積層方向からの入力を、バネ部２Ｃに伝達することができる。また、導電経路をより短くすることもできる。

本実施形態では、燃料極集電体７または空気極集電体２の一方が底部２Ａ、壁部２Ｂ及びバネ部２Ｃを有し、他方は流路を形成する複数のリブ７Ａを有する。そして、積層方向から見た場合に、バネ部２Ｃと隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６との接合部２０Ｅの幅Ｄ２が、リブ７Ａとセパレータ６とが接触する部分の幅Ｄ１より大きい。これにより、バネ部２Ｃ以外の部分にかかる応力を低減でき、耐久性の向上をはかることができる。

本実施形態では、一方の集電体（実施形態では空気極集電体２）と同一平面上に積層方向への圧縮性を有する圧縮シール１０が、他方の集電体（実施形態では燃料極集電体７）と同一平面上に非圧縮性を有する非圧縮シール１３が、それぞれ配置されており、壁部２Ｂの積層方向の寸法をＡ、積層後の圧縮シール１０の積層方向の寸法をＢ、積層後の非圧縮シール１３の積層方向の寸法をＣ、積層前のバネ部２Ｃ先端の底部２Ａが接続された面からの高さをＤ、としたとき、Ｃ≦Ａ＜ＢかつＤ≧Ｂの関係が成立する。これにより、積層方向の変位を吸収する際に、バネ部２Ｃの変形量が過大になることを防止できる。

本実施形態では、空気極集電体２、燃料極集電体７、及びセパレータ６が、アルミニウムを含有するステンレス材で形成されている。これにより、固体酸化物形燃料電池のように運転温度が高くなる場合の耐酸化性の向上を図ることができる。

本実施形態では、バネ部２Ｃと、隣接する燃料電池ユニット１００のセパレータ６との接合部２０Ｅ、または底部２Ａと底部２Ａの接続相手である電極（実施形態では空気極４）との接合部２０Ａのいずれか一方は溶接部となっており、他方は拡散接合部となっている。このようにいずれも金属接合とすることで、接合部の抵抗値を基材相当に抑えることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ 発電セル、 ２ 空気極集電体、 ３ 電解質、 ４空気極、 ５ 燃料極、 ６ セパレータ、 ７ 燃料極集電体、 １０ 圧縮シール、 １３ 非圧縮シール

Claims (8)

1. 燃料極と空気極とで電解質を挟んで形成された発電セルと、
   前記発電セルの燃料極側の面に接続された燃料極集電体と、
   前記発電セルの空気極側の面に接続された空気極集電体と、
   前記燃料極集電体または前記空気極集電体と電気的に接続されたセパレータと、
   を有する燃料電池ユニットを積層してなる燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料極集電体または前記空気極集電体の少なくとも一方は、
   前記燃料極または前記空気極に導電性を有する接合部を介して接続された底部と、
   前記底部から突出する複数の壁部と、
   複数の前記壁部の上端部から延びていて積層方向からの入力に対して前記壁部の上端部を支点として変形可能な複数のバネ部と、
   を有し、
   複数の前記燃料電池ユニットが積層された状態で、前記バネ部は隣接する燃料電池ユニットの前記セパレータと接合され、複数の前記バネ部及び複数の前記壁部によって、前記底部が接続される電極と、前記隣接する燃料電池ユニットの前記セパレータとの間に前記積層方向と直交する方向に延びかつ互いに平行な複数の流路が形成され、
   複数の前記壁部の配置と複数の前記バネ部の延びる方向は、複数の前記流路のうちの中央の前記流路に対して線対称となっていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料極及び前記空気極の少なくとも一方は、金属多孔質層を有する、燃料電池スタック。
3. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記壁部の前記バネ部が延びる側の面と前記底部とがなす角度は９０度以下である、燃料電池スタック。
4. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記積層方向から見た場合に、
   前記バネ部と前記隣接する燃料電池ユニットの前記セパレータとの接合部と、
   前記隣接する燃料電池ユニットの前記セパレータと、前記隣接する燃料電池ユニットの電極集電体とが接触する部分と、
   に重なり合う部分がある、燃料電池スタック。
5. 請求項４に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料極集電体または前記空気極集電体の一方が前記底部、前記壁部及び前記バネ部を有し、他方は複数のリブを有し、
   前記積層方向から見た場合に、
   前記バネ部と前記隣接する燃料電池ユニットの前記セパレータとの接合部の幅が、前記リブと前記セパレータとが接触する部分の幅より大きい、燃料電池スタック。
6. 請求項５に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記一方の集電体と同一平面上に前記積層方向への圧縮性を有する圧縮シールが、前記他方の集電体と同一平面上に非圧縮性を有する非圧縮シールが、それぞれ配置されており、
   前記壁部の前記積層方向の寸法をＡ、積層後の前記圧縮シールの前記積層方向の寸法をＢ、積層後の前記非圧縮シールの前記積層方向の寸法をＣ、積層前の前記バネ部の先端の、前記底部が接続された面からの高さをＤ、としたとき、Ｃ≦Ａ＜ＢかつＤ≧Ｂの関係が成立する、燃料電池スタック。
7. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記空気極集電体、前記燃料極集電体、及び前記セパレータが、アルミニウムを含有するステンレス材で形成されている、燃料電池スタック。
8. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記バネ部と前記隣接する燃料電池ユニットの前記セパレータとの接合部、または前記底部と前記底部の接続相手である電極との接合部のいずれか一方は溶接部となっており、他方は拡散接合部となっている、燃料電池スタック。