JP4892897B2

JP4892897B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4892897B2
Application number: JP2005259591A
Authority: JP
Inventors: 康俊高森; 尚史小谷; 隆宮澤
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-09-07
Also published as: JP2007073359A

Description

本発明は、発電セルとセパレータを交互に多数積層した平板積層型の燃料電池に関し、特に、積層体への加重構造に関するものである。

従来より、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ構造の発電セルを間にセパレータを介在して多数積層した平板積層型の燃料電池が知られている。

この平板積層型の燃料電池は、上述した複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータ等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性（電気的接触性）が要求されている。
このため、平板積層型の燃料電池では、発電に必要なセル面圧を確保するため、スタック組立後にその両端より積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造が採られており、例えば、特許文献１ではスタック上下端に配した端板をボルト、ナットにて締め付けする（タイロッドによる締め付け）構造が開示されており、また、引用文献２には、スタックと端板の間に介在したスプリングの弾性にて加重する構造が開示されている。
特開２００４−２８８５３９号公報特開２００４−２８８６１８号公報

ところが、上述のタイロッドによる締め付け構造は、発電セルに荷重が掛かり過ぎることから、発電セルの破損を招く虞がある。他方、スプリングによる加重構造では、使用温度雰囲気（例えば、固体酸化物形燃料電池では、８００〜１０００℃）に適用可能なスプリング材料に乏しく、よって、上記のような高温雰囲気下においては高熱によりスプリングの弾性が硬化するため、発電セル、集電体、セパレータ等、スタック構成部材の熱膨張に対応して常に最適な荷重を付与することが困難になるという問題があった。
各発電セルに対して最適荷重が付与されない場合は、各々セル電圧にバラ付きが生じ、安定した電池性能が得られなくなる。

本発明は、このような問題点に鑑みて成されたもので、発電時の高温雰囲気下においても、常に安定した最適荷重を付与することができる平板積層型の燃料電池の加重構造を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルと燃料ガス通路および酸化剤ガス通路を備えるセパレータを交互に多数積層すると共に、この積層体に加重手段により積層方向の荷重を付与して成る平板積層型の燃料電池において、上記セパレータは、上記発電セルが積層されるセパレータ本体と、このセパレータ本体の対向縁部から外周辺に沿って僅かな間隔を持って延設されとともに各々上記燃料ガス通路または酸化剤ガス通路が形成された一対の可撓性を有するセパレータアームと、これらセパレータアームの先端部に形成されて各々上記燃料ガス通路または酸化剤ガス通路と連通するガス孔が穿設されたマニホールド部分とを有し、上記マニホールド部分が絶縁性のマニホールドリングを間に介して積層されることにより上記積層方向に貫通する上記燃料ガスまたは酸化剤ガス用の内部マニホールドが形成されるとともに、上記積層体において、上記マニホールド部分を、上記セパレータ本体よりも上記積層方向の下方に位置させることにより、上記セパレータアームの弾性復元力による押圧力を前記積層体への加重手段の少なくとも一部としたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の平板積層型の燃料電池において、前記積層体の上端部の前記発電セルが位置する部分に錘を載置し、当該錘による押圧力を上記セパレータアームの弾性復元力による押圧力と共に前記積層体への加重手段としたことを特徴としている。

本発明によれば、可撓性のセパレータアームの奏する弾性を発電セルへの加重手段の少なくとも一部としたので、セパレータアームの長さやスタック構成部材の厚みにより荷重の大きさを変えることが可能であり、且つ、集電体の熱膨張をセパレータアームの緩やかな弾性復帰力で押し付けることで発電セルに適切な面圧を付与することができる。これにより、各発電要素間に良好な電気的接触性が得られるようになり、各セル電圧にバラ付きの生じない安定した電池性能（出力電力）を確保することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の第１実施形態による平板積層型の燃料電池スタックの構成を示し、図２は図１の一部拡大を示し、図３は図１のセパレータの構造を示し、図４は本発明の第２実施形態による平板積層型の燃料電池スタックの構成を示している。

図２に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した円形の発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成されている。

これら発電要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。

セパレータ８は、図３に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス板で構成されており、上述した発電セル５、各集電体６、７が積層される中央のセパレータ本体８ａと、このセパレータ本体８ａより面方向に延設されて、当セパレータ本体８ａの対向縁部を２箇所で支持する一対のセパレータアーム８ｂ、８ｂとで構成されている。

中央部のセパレータ本体８ａは、集電体６、７を介して発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有する。

また、各セパレータアーム８ｂ、８ｂは、それぞれセパレータ本体８ａの外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向隅角部に延設される細長帯状として積層方向に可撓性を持たせた構造とされると共に、これらセパレータアーム８ｂの端部に板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてある。
一方のガス孔１３はセパレータ８の燃料ガス通路１１に連通し、他方のガス孔１４はセパレータ８の酸化剤ガス通路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するようになっている。

上記構成の単セル１０を、間に絶縁性のマニホールドリング１５、１６を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ８よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配設することにより、図１に示す第１実施形態による平板積層型の燃料電池スタック１が構成される。
上締付板２０ａの中央部には、発電セル５の外径より大きい丸孔２３が設けられており、この孔２３よりセパレータ本体８ａ、即ち、発電セル５が位置する部分が露出するようになっている。下締付板２０ｂは積層体の底部を支持している。

また、燃料電池スタック１は、図１に示すように、上締付板２０ａと下締付板２０ｂとが周縁部の数カ所（例えば、四隅）においてボルト２１、ナット２６（タイロッド）にて締め付けされ、その締め付け荷重により、セパレータアーム８ｂのガス孔１３、１４と各マニホールドリング１５、１６（この周辺の幅広部分をマニホールド部分８ｃという）を機械的に密着・接合させている。
このタイロッドによる締め付け荷重で、各々のマニホールドリング１５、１６がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１３、１４を介して積層方向に連結されることにより、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる燃料ガスマニホールド１６と酸化剤ガスマニホールド１７が形成される。

また、本実施形態では、上締付板２０ａの中央部（孔２３の部分）に絶縁部材２４を介して錘２２が載置されており、この錘２２による荷重でセパレータ本体８ａが積層方向に押圧され、単セル１０を構成する複数の発電要素が相互に密着させられて一体的に固定される。
尚、セパレータ８間に介在されている燃料極集電体６と空気極集電体７はスポンジ状の多孔質焼結金属であるから、錘２２の荷重でこれらスポンジ状部材が弾性変形し、上下セパレータ８の間にある程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となっている。

また、本実施形態の燃料電池スタック１では、セパレータアーム８ｂに可撓性を持たせることにより、セパレータ８のマニホールド部分８ｃと発電セル５の位置するセパレータ本体８ａのそれぞれに相互に影響することなく最適荷重を掛け得る構造としており、錘２２による発電セル５への荷重は、上記したボルト２１、ナット２６によるマニホールド部分８ｃの強力な締め付け荷重に比べて極端に少なくしても発電要素間に良好な電気的接触性が得られる。
これにより、発電可能なスタックやモジュール部材の温度下（６００〜８００℃）においても、発電セル５に対して常に一定の面圧を付与することができるため、各セル電圧にバラ付きの生じない安定した電池性能（出力電力）を確保することができる。

尚、燃料電池スタック１に加える積層方向の荷重は、スタック中央部のセパレータ本体８ａに対しては、スタック構成部材の破損等を考慮して各発電要素の電気的接触性を確保できる必要最小限に設定することが好ましく、本実施形態では、数ｋｇｆ程度の荷重に設定されている。
一方、各マニホールドリング１５、１６とのシール性を確保するため、セパレータ縁部のマニホールド部分８ｃに対しては数百ｋｇｆ程度の荷重に設定されている。

次ぎに、図４に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態の燃料電池スタック１は、図１に示す第１実施形態とほぼ同様のスタック構成であって、セパレータ８は図３に示す構造のセパレータを使用するが、第１実施形態とは発電セル５への加重構造が相違している。

即ち、第２実施形態では、セパレータアーム８ｂの可撓性を弾性復帰力として利用し、図１の錘２２による加重に替えて、セパレータ本体８ａを下方に緩やかな荷重で押し付ける構造としている。

このため、本実施形態では、図４に示すように、最下段に位置するセパレータ８と下締付板２０ｂとの間にセパレータ本体８ａとほぼ同じサイズ幅の絶縁部材２５を介在して、セパレータ本体８ａの支持位置をセパレータアーム８ｂの端部（マニホールドリング１５、１６）の固定位置より上述の絶縁部材２５の厚さ分だけ上方に持ち上げる構造としている。これにより、セパレータアーム８ｂは斜め下方に歪曲した状態にて固定され、その際の弾性復帰力により、セパレータアーム８ｂの固定部分を支点とした下方への押圧力が生じる。

係る加重構造では、セパレータアーム８ｂの長さ、或いは、発電セル５やその外側の集電体６、７の厚みにより発電セル５への荷重を変えることが可能であり、且つ、発電時の燃料極集電体７や空気極集電体７の熱膨張をセパレータアーム８ｂの緩やかな弾性復帰力で抑え付けることで、発電セル５に対して常に適切な面圧（図１と同様に数ｋｇｆ程度）を付与することができる。これにより、各発電要素間に良好な電気的接触性が得られるようになり、各セル電圧にバラ付きの生じない安定した電池性能（出力電力）を確保することができる。

尚、縁部のマニホールド部分８ｃへの加重は、図１と同様にスタック上端の上締付板２０ａと下端の下締付板２０ｂが周縁部の数カ所においてボルト２１、ナット２６（タイロッド）にて締め付けられることにより、数百ｋｇｆ程度に設定されている。また、この場合も、セパレータアーム８ｂの可撓性により、このタイロッドによるマニホールド部分８ｃの加重が発電セル５の位置するセパレータ本体８ａへの加重に影響することはない。

以上、本実施形態では、セパレータアーム８ｂの他端が内部マニホールドに固定される場合を説明したが、本発明は燃料電池スタック１の外部に各マニホールドが配設される外部マニホールド型の燃料電池スタックにも勿論適用可能であり、この場合も、セパレータアーム８ｂの他端が上記同様に各外部のマニホールドに固定される。
また、本実施形態では、方形状のセパレータ８を用いたが、形状はこれに限定されるものではなく円板状としても良い。さらには、セパレータアーム８ｂについても、上述した細長帯状でなく、可撓性を有するチューブ状とすることもできる。

また、本発明では、図１に示す錘２２による第１実施形態の加重構造と図４に示すセパレータアームの弾性復帰力による第２実施形態の加重構造とを合わせ持つ加重構造とすることも勿論可能である。

本発明の第１実施形態による平板積層型の燃料電池スタックの構成を示す図。図１の一部拡大図。図１のセパレータの構造を示す図。本発明の第２実施形態による平板積層型の燃料電池スタックの構成を示す図。

符号の説明

１燃料電池（燃料電池スタック）
５発電セル
８セパレータ
８ｂセパレータアーム
１１、１２反応用ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）
１３、１４ガス孔
１６、１７マニホールド
２２錘

Claims

発電セルと燃料ガス通路および酸化剤ガス通路を備えるセパレータを交互に多数積層すると共に、この積層体に加重手段により積層方向の荷重を付与して成る平板積層型の燃料電池において、
上記セパレータは、上記発電セルが積層されるセパレータ本体と、このセパレータ本体の対向縁部から外周辺に沿って僅かな間隔を持って延設されとともに各々上記燃料ガス通路または酸化剤ガス通路が形成された一対の可撓性を有するセパレータアームと、これらセパレータアームの先端部に形成されて各々上記燃料ガス通路または酸化剤ガス通路と連通するガス孔が穿設されたマニホールド部分とを有し、上記マニホールド部分が絶縁性のマニホールドリングを間に介して積層されることにより上記積層方向に貫通する上記燃料ガスまたは酸化剤ガス用の内部マニホールドが形成されるとともに、
上記積層体において、上記マニホールド部分を、上記セパレータ本体よりも上記積層方向の下方に位置させることにより、上記セパレータアームの弾性復元力による押圧力を前記積層体への加重手段の少なくとも一部としたことを特徴とする平板積層型の燃料電池。
前記積層体の上端部の前記発電セルが位置する部分に錘を載置し、当該錘による押圧力を上記セパレータアームの弾性復元力による押圧力と共に前記積層体への加重手段としたことを特徴とする請求項１に記載の平板積層型の燃料電池。