JP3894849B2

JP3894849B2 - セルスタックの製法

Info

Publication number: JP3894849B2
Application number: JP2002194503A
Authority: JP
Inventors: 紀彰浜田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-07-03
Also published as: JP2004039428A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の扁平状の燃料電池セルの一端部をセル支持板の複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入固定してなるセルスタックの製法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、固体電解質型燃料電池セルを収納容器内に複数収容した燃料電池が種々提案されている。固体電解質型燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して６００〜１０００℃程度で発電される。
【０００３】
固体電解質型燃料電池セルは、上記したように、２種のガスを用い、しかも高温に曝されるため、高温においてもガスが漏出しないように、ガスの供給管やセルにおけるシール性について種々の改良がなされている。例えば、特開平８−２８７９４０号公報には、収納容器内のガスタンクにガス供給管を気密に接続する構造が開示されており、ガスは燃料電池セル内にガス供給管により供給されている。燃料電池セルは、一般に収納容器内に配置された隔壁に支持固定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した特開平８−２８７９４０号公報に開示された燃料電池では、ガス供給管をガスタンクにガス封止した状態で接続するとともに、燃料電池セル自体も隔壁に固定する必要があり、燃料電池セルの固定法が複雑であり、燃料電池自体が複雑化し、製造工程が多いという問題があった。
【０００５】
本発明は、簡単な構造で製造が容易な長寿命のセルスタックの製法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のセルスタックの製造方法は、複数の扁平状の燃料電池セルの一端部をセル支持板の複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入固定し、前記セル支持板に前記複数の扁平状の燃料電池セルを立設してなるセルスタックの製法であって、前記セル挿入孔がセル立設側に向けて先細形状に形成され、かつその内壁面の少なくとも一部が凹曲面に形成されたセル支持板、及び一端部に、前記セル挿入孔のセル立設側の孔径よりも大きく、かつ凸曲面を有する係合突出部が形成された燃料電池セルを準備し、前記セル挿入孔に前記燃料電池セルの他端部をセル立設側に向けて挿入し、前記係合突出部の凸曲面を前記セル挿入孔の凹曲面に係合させた状態で揺動させ、前記セルの間隔を調整した後、前記燃料電池セルと前記セル支持板とを接合固定することを特徴とするものである。
【０００８】
即ち、例えば、セル支持板をセル挿入孔の孔径が大きい方を上にして固定し、このセル支持板のセル挿入孔内に、燃料電池セルの他端部から挿入し、セル挿入孔内の凹曲面に燃料電池セルの一端部に形成された係合突出部の凸曲面を係合させた状態で揺動させ、セル支持板から突出した複数の扁平状の燃料電池セル間の間隔を一定にし、この状態で、例えば、セル挿入孔内の凹曲面と係合突出部の凸曲面との間に介在されたガラス等の接着剤を加熱し、接合することができる。
【０００９】
従って、セル支持板の複数のセル挿入孔内に燃料電池セルをそれぞれ挿入した後、加熱することにより一挙に複数の扁平状の燃料電池セルを接合固定でき、容易にセルスタックを作製できる。
【００１０】
また、一般に、燃料電池セルは内側電極の外面に固体電解質、外側電極が形成されており、内側電極に電気的に接続されたインターコネクタが外部に露出しており、対向する燃料電池セルは、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の外側電極の間にＮｉフェルトや金属板等の導電性板からなる集電部材を配置し、電気的に直列に接続されるが、本発明では、上記したように、セル支持板から突出した複数の扁平状の燃料電池セル間の間隔を一定にした状態で燃料電池セルを固定できるため、燃料電池セル間に配置される集電部材の厚みは一定で良く、対向する燃料電池セル間のそれぞれの距離に対応するように集電部材の厚みを設定する必要がない。これにより、導電性板からなる集電部材を有効に用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、燃料電池セル３３間に挿入される酸素含有ガス供給管３９と、セルスタック３５の上方に設けられた熱交換部４１とから構成されている。
【００１４】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００１５】
セルスタック３５は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を３列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。尚、図１では、複数の燃料電池セル３３を４列に整列させている。
【００１６】
具体的に説明すると、図２に示したように、燃料電池セル３３は扁平状であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔３４が形成されている。この燃料電池セル３３は、楕円柱状（扁平状）の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極３３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００１７】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部Ａと、これらの弧状部Ａを連結する一対の平坦部Ｂとから構成されており、一対の平坦部Ｂは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部Ｂは、燃料側電極３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００１８】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には、金属フェルト、及び／又は金属板、導電性セラミックス等の導電性板からなる集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａを、該燃料側電極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続して、セルスタック３５が構成されている。
【００１９】
複数の燃料電池セル３３の下端部は、図１に示したように、燃料ガスタンク５０の天板を構成するセル支持板５０ａに支持固定されており、これにより燃料電池セル３３の下端部が燃料ガスタンク５０に支持固定され、立設している。燃料ガスタンク５０には、燃料電池セル３３内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管５１が設けられている。
【００２０】
燃料ガスタンク５０のセル支持板５０ａには、図３に示すように、燃料電池セル３３の下端部が挿入固定される複数のセル挿入孔５０ａ１が形成され、これらのセル挿入孔５０ａ１はセルが立設する側（以下セル立設側という）に向けて先細形状に形成されており、その内壁面は凹曲面とされている。
【００２１】
即ち、セル挿入孔５０ａ１の内壁面は、燃料電池セル３３の平坦部Ｂ側が断面円弧状の凹曲面とされており、セル立設側のセル挿入孔５０ａ１には、セル立設側に向けて拡径する傾斜面Ｓが形成されている。
【００２２】
一方、燃料電池セル３３の一端部には、セル挿入孔５０ａ１のセル立設側の孔径よりも大きい、凸曲面を有する係合突出部５７が形成されており、燃料電池セル３３の係合突出部５７の凸曲面をセル挿入孔５０ａ１の内壁面の凹曲面に係合せしめた状態で、ガラス５９で接合され、セルスタック３５が構成されている。
【００２３】
尚、凹曲面はセル挿入孔５０ａ１の内壁面の一部に形成されていても良く、また、燃料電池セル３３の係合突出部５７の凸曲面も係合突出部５７の一部に形成されていても良く、セル挿入孔５０ａ１の凹曲面と係合突出部５７の凸曲面が少なくとも係合し、燃料電池セル３３が、対向する平坦部Ｂ方向にある程度揺動可能であれば良い。係合突出部５７は半円柱であり、その曲面部には燃料電池セル３３が挿通する孔が形成されている。
【００２４】
このようなセルスタック３５は、以下のようにして形成される。先ず、一端部に係合突出部５７が形成された燃料電池セル３３と、セル挿入孔５０ａ１が形成されたセル支持板５０ａを準備し、図４に示すように、セル挿入孔５０ａ１の傾斜面Ｓが形成された側を下にして、即ち、セル挿入孔５９ａ１の孔径が大きい方を上にしてセル支持板５０ａを固定し、このセル支持板５０ａのセル挿入孔５０ａ１内に、燃料電池セル３３の他端部、即ち、係合突出部５７が形成されていない側から挿入し、セル支持板５０ａから突出した複数の燃料電池セル３３の平坦部Ｂ間の間隔がほぼ一定となるように燃料電池セル３３を揺動して調整し、この状態で係合突出部５７の凸曲面とセル挿入孔５９ａ１の凹曲面との間をガラス５９で接合して作製される。
【００２５】
従って、複数の燃料電池セル３３をセル支持板５０ａに一挙に接合固定することができるとともに、例えば、燃料電池セル３３がセル製造工程で少々変形した場合でも、燃料電池セル３３をその平坦部Ｂ方向に揺動させることにより、燃料電池セル３３の平坦部Ｂ間の距離をほぼ一定に調整することができ、例えば、金属板等の導電性板からなる集電部材４３を燃料電池セル３３間に容易に介装することができる。或いは、集電部材４３を複数の燃料電池セル３３の平坦部Ｂ間に介装した後、係合突出部５７の凸曲面とセル挿入孔５０ａ１の凹曲面との間をガラス５９で接合してセルスタック３５を形成しても良い。
【００２６】
そして、このセルスタック３５は、図３に示したように、ガスタンク５０の天板を構成しており、セルスタック３５は、セル支持板５０ａを密封するようにガスタンク５０を構成する枠体に螺着されたり、接合されている。
【００２７】
図５は、金属板、合金板、導電性セラミックス等の導電性板からなる集電部材４３を、燃料電池セル３３間に介在せしめたもので、集電部材４３は、矩形状板の一端部に複数のスリットを略平行に形成し、該スリット間の集電片４３ａを集電部材４３の両側に交互に突出させ、基部４３ｂの一端部に複数の集電片４３ａが形成された櫛歯形状とされ、複数の集電片４３ａが対向する燃料電池セル３３の外面にそれぞれ当接している。
【００２８】
即ち、集電片４３ａは、対向する燃料電池セル３３の平坦部であるインターコネクタ３３ｄと、酸素側電極３３ｃ間に配置され、燃料電池セル３３同士が直列に接続されている。平坦部Ｂに集電片４３ａが当接しているため確実に当接し、電気的接続を確実に行うことができる。また、複数の集電片４３ａはＡｇペーストを介在して燃料電池セル３３に接合している。このＡｇペーストは発電時に焼き付けられ、集電片４３ａと燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄと酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、集電片４３ａと燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとることができる。集電片４３ａの幅は、集電特性を向上し、集電片４３ａ間に十分に酸素含有ガスを供給するという点から、２ｍｍ以下が望ましい。
【００２９】
これらの集電部材４３は、対向する燃料電池セル３３間に複数配置されており、対向する燃料電池セル３３間に基部４３ｂから挿入され、基部４３ｂが下に位置している。これらの集電部材４３は、導電性を有するＣｒ、Ｆｅを主成分とするフェライト系ステンレスの表面をＡｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。尚、集電部材４３は導電性を有する金属又は合金を主成分とするものの表面を耐酸化性物質で被覆したものであれば、上記したものに限定されるものではない。
【００３０】
対向する燃料電池セル３３間には、図６に示す集電部材４４を介在せしめても良い。図６に示す集電部材４４は、複数のスリットを略平行に形成し、その間の集電片４４ａを交互に集電部材４４の両側に突出させて形成された集電片４４ａ群を、長さ方向に所定間隔を置いて形成して構成し、基部４４ｂと集電片４４ａを交互に形成しても良い。図６に示すような集電部材４４では、図５の集電部材４３よりも燃料電池セル間への配置を簡単に行うことができる。
【００３１】
また、図６（ｃ）に示すように、複数の集電片４６ａ群を長さ方向に所定間隔を置いて形成し、一つの集電片４６ａ群において集電片４６ａを一つおきに一方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ側に突出させて当接せしめ、その他の平坦な部分を他方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄに当接せしめるようにしても良い。この場合、インターコネクタ３３ｄとの接合を十分に行うことができる。
【００３２】
酸素含有ガス供給管３９は、図１に示したように、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。
【００３３】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、セルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００３４】
熱交換器４１ａは、図７に示すように、平板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する通路を形成する波板６３ａは、図７（ｂ）に示すように形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波板６３ｂは、図７（ｃ）に示すように形成されている。
【００３５】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは配管７３により、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００３６】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図８に示すように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ちセルスタック側端面に設けられており、波板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００３７】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９が連通している。
【００３８】
また、図１に示したように、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板６３ｂの通路へ導出される。
【００３９】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を配管７３により熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を、燃料ガス供給管５１、ガスタンク５０を介して燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４内に供給し、燃料電池セル３３において発電させる。
【００４０】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔３４の上端から噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃料電池セル３３間を介して上方に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００４１】
そして、本発明の燃料電池では、セルスタック３５を、複数の燃料電池セル３３をセル支持板５０ａに一挙に接合固定することにより作製でき、例えば、金属板等の導電性板からなる集電部材４３を燃料電池セル３３間に容易に介装でき、セルスタック３５を簡単な構造で容易に製造でき、これにより燃料電池も簡単な構造で容易に製造できる。さらに、燃料電池セル間の距離を自由に制御できるため、集電部材４３との電気的な接合を確実に確保でき、長寿命の燃料電池を得ることができる。
【００４２】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換し、酸素含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル３３を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に短縮できる。
【００４３】
さらに本発明では、セルスタック３５の上方に酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、燃焼した高温の燃焼ガスを、配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００４４】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００４５】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを燃料電池セル３３間に確実に供給できる。
【００４６】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、図２に示したような楕円柱状で複数の燃料ガス通過孔３４を有する燃料電池セル３３を用いてセルスタック３５を構成した例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。
【００４７】
図９は、円筒状の燃料電池セル９３をセル支持板９５に接合する場合について記載したもので、燃料電池セル９３の一端部には、球状の係合突出部９７が設けられ、セル支持板９５のセル挿入孔９５ａ１の凹曲面に燃料電池セル９３の係合突出部９７の凸曲面が係合し、接合されている。係合突出部９７は球体に燃料電池セル９３が挿通する貫通孔が形成された構造とされている。このようなセルスタックでも、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４８】
図１０は、本発明のセルスタック１０１のセル支持板１０３を燃料ガスタンク１０５に接合したもので、このセルスタック１０１は、燃料電池セル１０７の一端部に係合突出部１０９が形成されており、この係合突出部１０９の凸曲面の一部が、セル支持板１０３のセル挿入孔１１１の凹曲面に係合し、ガラス１１３で接合されている。
【００４９】
係合突出部１０９は円柱体の側面に燃料電池セルが挿通する孔が形成された構造とされ、燃料電池セル１０７の一端と燃料ガスタンク１０５の天板との間には隙間が形成され、さらに燃料ガスタンク１０５の天板には、燃料ガスを燃料電池セル１０７のガス通過孔１１７に供給するための貫通孔１１９が形成されている。
【００５０】
このようなセルスタック１０１はガスタンク１０５上に接合されているため、図３のセルスタックとほぼ同様の作用効果を有する。
【００５１】
また、熱交換器４１ａとしてプレートフィン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものではなく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明のセルスタックの製造方法は、セル支持板をセル挿入孔の孔径が大きい方を上にして固定し、このセル支持板のセル挿入孔内に、複数の扁平状の燃料電池セルを、その他端部から挿入し、セル挿入孔内の凹曲面に燃料電池セルの一端部に形成された係合突出部の凸曲面を係合させた状態で揺動させ、セル支持板から突出した複数の扁平状の燃料電池セル間の間隔を一定にし、この状態で、例えば、セル挿入孔内の凹曲面と係合突出部の凸曲面との間に介在されたガラス等の接合材を加熱し、接合することができ、セル支持板の複数のセル挿入孔内に燃料電池セルをそれぞれ挿入した後、加熱することにより一挙に複数の扁平状の燃料電池セルを燃料電池セルとセル支持板とを接合固定でき、容易にセルスタックを作製できる。
【００５３】
さらに、燃料電池セル間の間隔が調整されているため、導電性板からなる集電部材が介装される場合でも、燃料電池セル間の電気的接続を確実に、かつ長期に渡って維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】燃料ガスタンクの天板をセル支持板とし、燃料ガスタンクに燃料電池セルを立設した状態を示す一部切欠斜視図である。
【図４】本発明のセルスタックの製法を説明するための一部切欠斜視図である。
【図５】基部の一端部に複数の集電片が形成された櫛歯形状の集電部材を用いて、燃料電池セルを接続した状態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は集電部材を示す斜視図である。
【図６】複数の集電片群を長さ方向に所定間隔を置いて形成して構成した集電部材を用いて、燃料電池セルを接続した状態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は集電部材を示す斜視図、（ｃ）は集電片を一方側のみ突出させた集電部材を示す斜視図である。
【図７】図１の熱交換器の概念を説明するための図であり、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図である。
【図８】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【図９】円筒状の燃料電池セルをセル支持板に接合した状態を示す一部切欠斜視図である。
【図１０】燃料ガスタンクの上面にセルスタックが立設された状態を示す一部切欠斜視図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３、９３、１０７・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）
５０、１０５・・・燃料ガスタンク
３５、１０１・・・セルスタック
５０ａ、９５、１０３・・・セル支持板
５０ａ１、１１１・・・セル挿入孔
５７、９７、１０９・・・係合突出部
Ｓ・・・セル挿入孔の傾斜面

Claims

複数の扁平状の燃料電池セルの一端部をセル支持板の複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入固定し、前記セル支持板に前記複数の扁平状の燃料電池セルを立設してなるセルスタックの製法であって、前記セル挿入孔がセル立設側に向けて先細形状に形成され、かつその内壁面の少なくとも一部が凹曲面に形成されたセル支持板、及び一端部に、前記セル挿入孔のセル立設側の孔径よりも大きく、かつ凸曲面を有する係合突出部が形成された燃料電池セルを準備し、前記セル挿入孔に前記燃料電池セルの他端部をセル立設側に向けて挿入し、前記係合突出部の凸曲面を前記セル挿入孔の凹曲面に係合させた状態で揺動させ、前記セルの間隔を調整した後、前記燃料電池セルと前記セル支持板とを接合固定することを特徴とするセルスタックの製法。