JP3672274B2

JP3672274B2 - 平板状固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP3672274B2
Application number: JP09070896A
Authority: JP
Inventors: 大森敬朗; 吉田利彦
Original assignee: Petroleum Energy Center PEC; Tonen General Sekiyu KK
Current assignee: Tonen General Sekiyu KK; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2016-04-12
Also published as: JPH09283170A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板状固体電解質型燃料電池において、電池本体とマニホールド間のガス封止を改善するための技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、炭化水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスの持つ化学エネルギーを電気化学的な反応によって直接、電気エネルギーに変換する装置であり、そのうち、固体電解質型燃料電池は、電解質が常態または作動条件下で液状となるリン酸型や溶融炭酸塩型と異なり、電解質による周辺材料の腐食、電解質自体の分解、蒸発等がなく電池構造を簡素化でき、また、動作温度が１０００℃程度と高いため、燃料として水素の他、メタンや天然ガスを改質することなくそのまま使用することができると共に、排熱をガスタービンや蒸気タービンに導くことにより、高いエネルギー利用効率を得ることができる。固体電解質型燃料電池は、構造の違いにより円筒型、モノリシック型（またはハニカム型）及び平板型に大別され、このうち平板型は、高出力密度、低コスト、コンパクト化の観点から注目されている。
【０００３】
ところで、従来の平板状固体電解質型燃料電池においては、電池本体にガスを供給、排気するマニホールドを接続する場合、電池本体とマニホールド間にアルミナ製の封止部材を設け、封止部材と電池本体及びマニホールド間には、作動温度（約１０００℃）で軟化するガラスを挟み込んで封止している。この場合、電池本体とマニホールド及び封止部材は、熱膨張差により応力が生じないように、各部材間に熱膨張量の差だけの隙間を空ける必要があるが、この間隔の幅を予め正確に設定することは困難であり、その結果、この隙間が局所的なガスリークの原因となり、電池出力が低下するという問題を有している。
【０００４】
この問題を解決するために特開平７−２２０５８号公報においては電池本体とマニホールド間の熱膨張差により発生する応力を吸収させる方式を提案している。これを図１０（Ａ）により説明すると、電池本体５１の４側面には、燃料ガスの入口・出口及び酸化剤ガスの入口・出口を構成する箱型状のマニホールド５２がそれぞれ装着される。電池本体５１とマニホールド５２は、ガラスシール５３を介してベース部材５４に固定されると共に、電池本体５１とマニホールド５２の間はガスケット５５でガスシールされる。各マニホールド５２には、ベース部材５４を貫通してガス供給管５６とガス排出管５７が接続されている。各マニホールド５２の外周には、押さえ部材５８が立設され、この押さえ部材５８と各マニホールド５２との間には、弾性部材５９が配設されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、燃料電池の大型化に伴い、セルの大面積化や多段化が進み以下の問題が生じている。すなわち、図１０（Ｂ）の設置直後の状態から運転を開始していくと、電池本体５１のセパレータ間のシール材が溶融、収縮および電極が収縮するため、図１０（Ｃ）に示すように、電池本体５１が沈み込み、マニホールド５２と電池本体５１間に隙間６０が発生するため、この隙間６０からガスがリークし電池出力が低下し、その後、マニホールド５２上板付近がリークガスの燃焼に伴い破損してしまうという問題を有している。これを解決するために、電池本体５１をマニホールド５２より高くしておくことが考えられるが、電池本体５１の上面には集電体である金属板が載置されており、金属板とセパレータとの熱膨張率の差により、電池本体５１が沈み込む際に金属板がマニホールド５２に引っかかってシールが壊れてしまう、あるいは集電がうまくできなくなるという問題を生じる。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するものであって、マニホールドと電池本体間のガスリークを防止し、リークガスの燃焼に伴うマニホールドの破損を防止することができる平板状固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の平板状固体電解質型燃料電池は、固体電解質板をセパレータを介して複数積層してなる電池本体と、該電池本体を支持するベース部材と、前記電池本体の外周側面に装着されたマニホールドと、前記ベース部材とマニホールド間に設けられた封止材と、前記マニホールドの底部に接続されたガス配管と、対向する一対のマニホールドの外側に配設された押さえ部材と、該押さえ部材に形成され前記マニホールドの上面に係止させた係止片と、前記対向する押さえ部材の上下を貫通するシャフトと、該シャフトの両端で押さえ部材を締め付けるための弾性部材及びナットとを備え、前記マニホールドを上下方向に複数に分割し、分割したマニホールドの接合面に封止材を設け、該封止材は電池本体が収縮する高さ有することを特徴とする。さらに、本発明の好ましい実施の態様として以下の態様が挙げられる。
【０００８】
(1)マニホールドの接合面に嵌入部と嵌合部を設けたことを特徴とする１項記載の平板状固体電解質型燃料電池、
(2)マニホールドの接合面にプレートを設けたことを特徴とする１項記載の平板状固体電解質型燃料電池、
(3)マニホールドを封止材のみにより接合させたことを特徴とする１項記載の平板状固体電解質型燃料電池、
(4)対向する一対のマニホールドの外側に配設された押さえ部材と、該押さえ部材に形成され、上部マニホールドの上面に係止させた係止片と、前記押さえ部材の上下を貫通するシャフトと、該シャフトの両端で押さえ部材を締め付けるための弾性部材及びナットとを備えたことを特徴とする１項記載の平板状固体電解質型燃料電池、
(5)対向する一対のマニホールドの外側に配設された押さえ部材と、該押さえ部材の上下を貫通するシャフトと、該シャフトの両端で押さえ部材を締め付けるための弾性部材及びナットと、上部マニホールドの上面に支柱を介して支持させた重りとを備えたことを特徴とする１項記載の平板状固体電解質型燃料電池、
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は、本発明における平板状固体電解質型燃料電池の１実施形態を示し、図１は全体構成を示す斜視図、図２は図１の電池本体の構成を示す分解斜視図、図３はマニホールドの詳細構造及び作用を示す図である。
【００１０】
図２において、固体電解質板１の上面及び下面には、電極としてのカソード２及びアノード３が一体形成されており、この固体電解質板１の複数をセパレータ４を介して接合積層し、上下端に端子板５、６を積層して構成されている。電解質板１、セパレータ４を積層して組み立てるときには、電解質板１とセパレータ４の間でガスリークしないように封止材にてガスシールされる。セパレータ４の上下面にはそれぞれ燃料ガス通路７及び酸化剤ガス通路８が形成され、また、上部端子板５及び下部端子板６の片面には、それぞれ酸化剤ガス通路８と燃料ガス通路７が形成され、固体電解質板１とこの固体電解質板１を挟む燃料ガス通路７と酸化剤ガス通路８とにより燃料電池の単位セル９が構成されている。
【００１１】
そして、このような単位セル９を多数直列に積層して電池本体を構成し、燃料ガス通路７に燃料ガスを供給し、酸化剤ガス通路８に空気を供給し、上部及び下部端子板５、６を図示しない外部回路に接続すると、酸素は燃料ガスと反応しイオン化して固体電解質板１を通して流れ、このとき、カソード２側では酸素が電子を取り込んで酸素イオンとなり、アノード３側ではこの酸素イオンと燃料ガスが反応して電子を放出するので、外部回路にはカソードを正極、アノードを負極として下部端子板６から上部端子板５へ電流が流れる。
【００１２】
図１には、このようにして組み立てた電池本体１１が示されている。電池本体１１の外周４側面には、燃料ガスの入口・出口及び酸化剤ガスの入口・出口を構成する箱型状のマニホールド１３がそれぞれベース部材１２上に装着されている。マニホールド１３の材料としては、セラミックス、合金を用い、合金としてはＮｉ−Ｃｒ合金等が挙げられる。各マニホールド１３及び電池本体１１とベース部材１２の間には、封止材が設けられている。封止材としては、例えばアルミナを主成分とした無機質紙、電気炉の断熱材として通常使用されているものを０．１〜２．０ｍｍ程度の厚さにスライスしたもの、電池の作動温度（９００〜１０００℃）で十分に軟化するガラス或いはこれらを組み合わせて使用する。
【００１３】
各マニホールド１３の底部には、ベース部材１２がありそのベース部材１２にガス供給管１９とガス排出管２０が接続されている。対向する一対のマニホールド１３の外側には、複数の押さえ部材２５が配設される。押さえ部材２５は、セラミックス又はＮｉ−Ｃｒ合金等を用い、切削加工により水平方向に突出する係止片２５ａが一体に形成され、また、上部及び下部にシャフト貫通孔が形成されている。そして、押さえ部材２５の係止片２５ａをマニホールド１３の上面に引っ掛けて、対向する押さえ部材２５の上下を貫通してシャフト２６を挿入し、シャフト２６の両端では、押さえ部材２５にスプリング（弾性部材）２７をナット２８により締め付け、これにより、対向する一対のマニホールド１３を電池本体１１に締付固定している。なお、本例においては、係止片２５ａを押さえ部材２５と一体に形成しているが、係止片２５ａを接着により押さえ部材２５に固定してもよく、その場合、接着剤としては熱膨張率が同じものを用いる。
【００１４】
上記構造の燃料電池は、押さえ部材２５の係止片２５ａをマニホールド１３の上面に引っ掛ける構造とし、マニホールド１３の底面にその自重と押さえ部材２５との合計重量を作用させるため、マニホールド１３底面とベース部材１２の接触が密になってガスリークが皆無となり、リークガスの燃焼に伴うマニホールド１３の破損を防止することができる。また、押さえ部材２５の係止片２５ａをマニホールド１３の上面に引っ掛けた状態で容易に組み立てることができるため、従来は数人の人手が必要であった押さえ板の位置決め及び組立作業が１人でもできるという利点を有する。さらに、図１０に示した燃料電池と比較して、弾性部材２７がマニホールド１３に接触していないため、高温下でのバネ力の劣化が少なくなると共に、狭い隙間にバネをセットするのとは違い、熱膨張差を考慮した上で予めバネ長を決定することにより、バネの最大荷重を利用することができる。
【００１５】
図１において、本発明の特徴はマニホールド１３を上下に分割し、上部マニホールド１３ａと下部マニホールド１３ｂに分割した点である。これを図３により詳細に説明する。図３（Ａ）は電池本体とマニホールドを示す斜視図、図３（Ｂ）はマニホールドの分解斜視図及び断面図、図３（Ｃ）は燃料電池組立時におけるマニホールドの斜視図及び断面図、図３（Ｄ）は燃料電池運転後におけるマニホールドの斜視図及び断面図である。
【００１６】
図３（Ａ）において、各マニホールド１３は上下に２つに分割され、上部マニホールド１３ａと下部マニホールド１３ｂを有している。図３（Ｂ）に示すように、下部マニホールド１３ｂの上部には断面凹状の嵌入部１５が形成され、上部マニホールド１３ａの下部には前記嵌入部１５に嵌合される断面凸状の嵌合部１６が形成されている。そして、嵌入部１５内に封止材１７が充填される。
【００１７】
封止材１７としては、例えばアルミナを主成分とした無機質紙、電気炉の断熱材として通常使用されているものを０．１〜２．０ｍｍ程度の厚さにスライスしたもの、電池の作動温度（９００〜１０００℃）で十分に軟化するガラス或いはこれらを組み合わせて使用する。封止材１７は、電池本体１１が収縮する分の高さを予め有し、図３（Ｃ）に示すように、燃料電池運転前は電池本体１１と高さを合わせて設置する。燃料電池運転中は電池本体１１が収縮すると共に、封止材１７が溶融して上部マニホールド１３ａが沈み込み、マニホールド１３上部の電池本体１１との封止領域に変化が殆どなくなるようにすることができる。これにより、セルの多段積層化に伴い生じるマニホールド上板の破損を防止することができる。
【００１８】
なお、本実施形態においては、マニホールドを２つに分割しているが、さらに複数に分割した方が好ましく、究極的にはセルの積層段数と同程度まで分割すれば、接合部の封止材の高さは２００μｍ程度となり、収縮することにより１００μｍ程度になるため、セル各段の収縮と同程度になり、各セルとマニホールドとの間の封止面（マニホールド側面）のずれも減少する。
【００１９】
図４〜図７は、本発明における平板状固体電解質型燃料電池の他の実施形態を示し、それぞれ図（Ａ）はマニホールドの分解斜視図及び断面図、図（Ｂ）は燃料電池組立時におけるマニホールドの断面図、図（Ｃ）は燃料電池運転後におけるマニホールド断面図である。
【００２０】
図４の実施形態においては、上部マニホールド１３ａ下部の外面及び内面にプレート１９を、上部マニホールド１３ａの底面から突出するように固定し、上部マニホールド１３ａと下部マニホールド１３ｂの接合面に封止材１７を設けるようにしている。
【００２１】
図５の実施形態においては、下部マニホールド１３ｂ上部の外面及び内面にプレート１９を、下部マニホールド１３ｂの上面から突出するように固定し、上部マニホールド１３ａと下部マニホールド１３ｂの接合面に封止材１７を設けるようにしている。
【００２２】
図６の実施形態においては、上部マニホールド１３ａ下部の外面にプレート１９を、上部マニホールド１３ａの底面から突出するように固定し、上部マニホールド１３ａと下部マニホールド１３ｂの接合面に封止材１７を設けるようにしている。なお、プレート１９を上部マニホールド１３ａ下部の内面に設けてもよいし、また、下部マニホールド１３ｂ側に設けてもよい。
【００２３】
図７の実施形態においては、上部マニホールド１３ａと下部マニホールド１３ｂの接合面に封止材１７のみを設けた簡単な構成にしている。
【００２４】
本発明においては、上下に分割したマニホールド１３の上部マニホールド１３ａを下部マニホールド１３ｂに対して均等に沈み込ませることが重要であり、そのために、図１の実施形態においては、押さえ部材２５の係止片２５ａをマニホールド１３の上面に引っ掛ける構造とし、マニホールド１３に押さえ部材２５の荷重を均等に作用させるようにしている。
【００２５】
図８は、荷重載荷構造の他の例を示し、図８（Ａ）は分解斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）で重りを除いた平面図、図８（Ｃ）は組立状態を示す斜視図である。本例は、上部マニホールド１３ａ及び電池本体１１に別部材からなる荷重を載荷するものであるが、電池本体１１及び上部マニホールド１３ａの上面には複数本のシャフト２６が交差しており、重りを載せることが困難な構造となっているため、特別の工夫をする必要がある。
【００２６】
電池本体１１及び上部マニホールド１３ａの上面には、支柱ａ〜ｉによって複数の重りＡ〜Ｉが支持される。図８（Ａ）は荷重の掛かり具合を見やすくするために支柱を切って示している。それぞれの重りには上段の重りを支持する支柱を貫通させるための開口２９が形成されている。重りＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ３本の支柱ａ、ｂ、ｃ、ｄにより三点支持され（図８（Ｂ）において三点支持の状態をハッチングで示している）、４つの上部マニホールド１３ａに荷重を掛けている。また、重りＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉは、それぞれ中央の支柱ｅと３本の支柱ｆ、ｇ、ｈ、ｉにより三点支持され、電池本体１１に荷重を掛けている。各重りＡ〜Ｉ同士の間隔は、熱膨張による接触を避けながら可能な限り狭くすることが望ましい（例えば１ｍｍ〜１０ｍｍ）。このようにして、電池本体１１及び上部マニホールド１３ａの上面には、９組の支柱ａ〜ｉによって９枚の重りＡ〜Ｉが支持されることになる。なお、図示しないが各重りＡ〜Ｉの外周には移動を防止するための機構が設けられる。
【００２７】
本例においては、重りＡと支柱ａの荷重、重りＢと支柱ｂの荷重、重りＣと支柱ｃの荷重、重りＤと支柱ｄの荷重がそれぞれ分割、独立して４つの上部マニホールド１３ａの上面に載荷される構造となり、上部マニホールドに均一に荷重を作用させることができる。また、重りＥと支柱ｅの荷重、重りＦと支柱ｆの荷重、重りＧと支柱ｇの荷重、重りＨと支柱ｈの荷重、重りＩと支柱ｉの荷重がそれぞれ分割、独立して電池本体１１の上面に載荷される構造となり、セルに均一に荷重を作用させることにより、接触抵抗のバラツキを低減させ、電流集中による温度差の影響によるセルの破損を防止することができる。なお、重りは２枚以上であれば何枚でもよく、また、支柱の数は限定されるものではない。
【００２８】
図９は、荷重載荷構造の他の例を示し、図９（Ａ）は荷重載荷構造を示す模式図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）で重りを除いた平面図である。本例においては、電池本体１１及び上部マニホールド１３ａの上面にシャフト２６を避けながら複数の支柱ｐを配置し、支柱ｐ上に弾性部材３０を装着し、弾性部材３０上に一つの重りＡを支持するようにしている。
【００２９】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。例えば、図１０に示した燃料電池に適用してもよいことは勿論である。
【００３０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、電池本体の収縮度合を予め計算しておき、その収縮度合に合うように、また、マニホールドの設置時に電池本体の高さに合うようにマニホールドの構造を収縮可能にしたので、マニホールドと電池本体間のガスリークを防止し、リークガスの燃焼に伴うマニホールドの破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における平板状固体電解質型燃料電池の１実施形態を示し、全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１の電池本体の構成を示す分解斜視図である。
【図３】図１のマニホールドの詳細構造及び作用を示す図であり、図３（Ａ）は電池本体とマニホールドを示す斜視図、図３（Ｂ）はマニホールドの分解斜視図及び断面図、図３（Ｃ）は燃料電池組立時におけるマニホールドの斜視図及び断面図、図３（Ｄ）は燃料電池運転後におけるマニホールドの斜視図及び断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図８】本発明に係わる荷重載荷構造の他の例を示し、図８（Ａ）は分解斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）で重りを除いた平面図、図８（Ｃ）は組立状態を示す斜視図である。
【図９】本発明に係わる荷重載荷構造の他の例を示し、図９（Ａ）は荷重載荷構造を示す模式図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）で重りを除いた平面図である。
【図１０】従来の平板状固体電解質型燃料電池の例を示し、図１０（Ａ）は全体構成を示す断面図、図１０（Ｂ）は燃料電池組立時の斜視図、図１０（Ｃ）は燃料電池運転後の斜視図である。
【符号の説明】
１…固体電解質板、４…セパレータ、１１…電池本体、１２…ベース部材
１３…マニホールド、１３ａ…上部マニホールド、１３ｂ…下部マニホールド
１７…封止材

Claims

固体電解質板をセパレータを介して複数積層してなる電池本体と、該電池本体を支持するベース部材と、前記電池本体の外周側面に装着されたマニホールドと、前記ベース部材とマニホールド間に設けられた封止材と、前記マニホールドの底部に接続されたガス配管と、対向する一対のマニホールドの外側に配設された押さえ部材と、該押さえ部材に形成され前記マニホールドの上面に係止させた係止片と、前記対向する押さえ部材の上下を貫通するシャフトと、該シャフトの両端で押さえ部材を締め付けるための弾性部材及びナットとを備え、前記マニホールドを上下方向に複数に分割し、分割したマニホールドの接合面に封止材を設け、該封止材は電池本体が収縮する高さ有することを特徴とする平板状固体電解質型燃料電池。