JP5016130B2 - セルスタック装置及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、セルスタック装置及び燃料電池に関し、特に、燃料電池セルをマニホールドに立設固定する型のセルスタック装置及び燃料電池に関する。

従来の此種セルスタック装置は、例えば、本願出願人の特許出願に係る特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載されるセルスタック装置は、燃料電池セルの一端部をセラミック製のセル支持板に一体的に接合固定し、このセル支持板でマニホールドの天板を構成せしめるものである。

特開２００４−６３３５５号公報

然しながら、前記セルスタック装置には、次のような問題点がある。
（１）セル支持板に非金属材料（セラミックス、ガラス、結晶化ガラス等）を用いた場合、長時間の高温暴露で軟化が起こり、燃料電池セルの自重により、燃料電池セルの位置ズレが生じる虞がある。

そこで、長時間の高温暴露によっても燃料電池セルの位置ズレが生じない構造のセルスタック装置が求められている。

以上の現状に鑑み、本発明は、長時間の高温暴露によっても燃料電池セルの位置ズレが生じない構造を有するセルスタック装置、及び、該セルスタック装置を収納する燃料電池を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、軸長方向にガス流路を有する複数の燃料電池セルの下端部を、内部にガス室が形成されたマニホールドの天板に、無機材料によりガスシールされた状態で立設接合してなり、前記燃料電池セルのガス流路と前記マニホールド内のガス室とが連通し、前記燃料電池セルの下端が前記ガス室に連通する隙間部を有する絶縁性支持部材により前記マニホールドの内側底面に支持されており、前記燃料電池セルの下端面と前記マニホールドの内側底面との間に空間が形成されており、該空間に前記燃料電池セルのガス流路が開口していることを特徴とするセルスタック装置を提供するものである。

請求項２に係る発明は、収納容器内に、請求項１に記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする燃料電池を提供するものである。

本発明の請求項１記載のセルスタック装置によれば、燃料電池セルの下端面とマニホールドの内側底面との間に空間が形成されており、該空間に前記燃料電池セルのガス流路が開口しているため、マニホールドのガス室内のガスを燃料電池セルのガス流路内に供給することができるとともに、燃料電池セルの下端が前記ガス室に連通する隙間部を有する絶縁性支持部材によりマニホールドの内側底面に支持されているため、発電中にセルスタック装置が長期間高温に晒され、燃料電池セルの下端部のガスシール部分が軟化したとしても、燃料電池セルの下方への位置ずれが発生することがない。
本発明のセルスタック装置は、家庭用燃料電池等の分散型発電用として用いることができ、特に、１ＫＷ以下の固体電解質型燃料電池に好適に用いられる。

請求項２記載の燃料電池によれば、発電中にセルスタック装置が長期間高温に晒され、燃料電池セルの下端部のガスシール部分が軟化したとしても、燃料電池セルの下方への位置ずれが発生することがないため、燃料電池の長期信頼性を向上できる。

（ａ）第１タイプの第１実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。（ｂ）図１（ａ）の一部切欠平面図である。（ｃ）第１タイプの第２実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。（ｄ）第１タイプの第３実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。 （ａ）第１タイプの第３実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。（ｂ）第１タイプの第４実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。（ｃ）第１タイプの第５実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。 （ａ）第２タイプの第１実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。（ｂ）第２タイプの第２実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。 （ａ）第２タイプの第３実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。（ｂ）第２タイプの第４実施例のセルスタック装置の正面縦断面図である。 本発明による第３タイプのセルスタック装置の正面縦断面図である。 第１タイプの第１実施例のセルスタック装置を収納した燃料電池の正面縦断面図である。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１（ａ）に於いて、１は第１タイプの第１実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置１は、第１タイプのセルスタック装置として、次の（Ａ）乃至（Ｃ）の構成を備えている。

即ち、（Ａ）軸長方向にガス流路２ａ，２ａ…を有する複数の中空平板型燃料電池セル２（図に於いては１個のみが図示されている。）の下端部を、内部にガス
室３が形成されたマニホールド４の天板５に、セラミックス、ガラス、結晶化ガラス等の無機材料によってガスシールされた状態で立設接合してなり、燃料電池セル２のガス流路とマニホールド４内のガス室３とが連通している。そして、前記複数の燃料電池セル２は、図１（ｂ）に示す如く、集電部材２ｂにより電気的に直列に接続されている。

（Ｂ）又、前記燃料電池セル２がマニホールド４の内側面に支持されるとともに（図１に於いては、燃料電池セルの下端が、マニホールド４の内側底面４ａに当接している。）、燃料電池セル２の下端面とマニホールド４の内側底面との間に空間６が形成されており、空間６に燃料電池セル２のガス流路が開口している。

（Ｃ）更に、マニホールド４の内側底面４ａが平坦面であるとともに、燃料電池セル２の下端部の一部が切り欠かれており、燃料電池セル２の下端がマニホールド４の内側底面４ａに当接し、燃料電池セル２の下端面とマニホールド４の内側底面４ａとの間に空間６が形成されている。

更に又、前記セルスタック装置１は、第１タイプの第１実施例として特有の構成を有する。具体的には、（Ｄ１）燃料電池セル２の切り欠かれた下端部が、図に於いて、左下端から右上方向に斜欠されており、左下端部７がマニホールド４の内側底面４ａ上に当接し、左下端部７から右上方向に斜欠された斜欠面８の下方に前記空間６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、燃料電池セル２の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置１は、第１タイプのセルスタック装置として次の（ａ）の効果が期待できる。即ち、（ａ）燃料電池セル２の下端面とマニホールド４の内側底面４ａとの間に空間６が形成されており、空間６に燃料電池セル２のガス流路が開口しているため、マニホールド４のガス室３内のガスを燃料電池セル２のガス流路内へ供給することができるとともに、燃料電池セル２の下端がマニホールド４の内側底面４ａに当接しているため、発電中にセルスタック装
置１が長期間高温に晒され、燃料電池セル２の下端部のガスシール部分が軟化したとしても、燃料電池セル２の下方への位置ずれが発生することがない。

図１（ｃ）に於いて、１１は第１タイプの第２実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置１１は、第１タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置（図１（ａ）に於いて１）の前述した（Ａ）乃至（Ｃ）と同様の構成を有し、更に、第１タイプの第２実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｄ２）燃料電池セル２の切り欠かれた下端部が、図に於いて、下端中央部１２から左上方向及び右上方向に斜欠されており、下端中央部１２がマニホールド４の内側底面４ａ上に当接し、下端中央部１２から左上方向及び右上方向に斜欠された斜欠面１３，１４の下方に夫々前記空間６，６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置１１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６，６を介して、下端中央部１２の左右の斜欠面１３，１４に開口する燃料電池セル２の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置１１は、第１タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置１で述べた前記（ａ）と同様の効果が期待できる。

図１（ｄ）に於いて、２１は第１タイプの第３実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置２１は、第１タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置（図１（ａ）に於いて１）の前述した（Ａ）乃至（Ｃ）と同様の構成を有し、更に、第１タイプの第３実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｄ３）燃料電池セル２の切り欠かれた下端部が、図に於いて、左下端部２２から中央上方向に向かって斜欠され、右下端部２３から中央上方向に向かって斜欠されており、左右下端部
２２，２３がマニホールド４の内側底面４ａ上に当接し、左下端部２２から中央上方向に向かって斜欠された斜欠面２４、右下端部２３から中央上方向に向かって斜欠された斜欠面２５の下方に断面略三角形状の前記空間６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置２１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、斜欠面２４及び斜欠面２５の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置２１も、第１タイプのセルスタック装置として前記セルスタック装置１で述べた前記（ａ）と同様の効果が期待できる。

図２（ａ）に於いて、３１は第１タイプの第４実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置３１は、第１タイプのセルスタック装置として、前述した（Ａ）乃至（Ｃ）と同様の構成を有し、更に、第１タイプの第４実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｄ４）燃料電池セル２の切り欠かれた下端部が、図に於いて、中央下端部３２から左上上方に向かって外方に膨らむように湾曲状に切欠されており、且つ、中央下端部３２から右上方に向かって外方に膨らむように湾曲状に切欠されており、中央下端部３２がマニホールド４の内側底面４ａ上に当接し、中央下端部３２から左上方に向かって外方に膨らむように湾曲状に切欠された切欠面３３及び中央下端部３２から右上方に向かって外方に膨らむように湾曲状に切欠された切欠面３４の下方に夫々前記空間６，６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置３１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６，６を介して、切欠面３３及び切欠面３４の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置３１も、第１タイプのセルスタック装置として前記セルスタック装置１で述べた前記（ａ）と同様の効果が期待できる。

図２（ｂ）に於いて、４１は第１タイプの第５実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置４１は、第１タイプのセルスタック装置として、前述した
（Ａ）乃至（Ｃ）と同様の構成を有し、更に、第１タイプの第５実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｄ５）燃料電池セル２の切り欠かれた下端部が、図に於いて、左右下端部４２，４３から中央上方に向かって湾曲状に切欠され、下方に開放する断面視略半円状に形成されており、左右下端部４２，４３がマニホールド４の内側底面４ａ上に当接し、湾曲状に切欠された湾曲面４４の下方に夫々前記空間６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置４１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、湾曲面４４の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置４１も、第１タイプのセルスタック装置として前記セルスタック装置１で述べた前記（ａ）と同様の効果が期待できる。

尚、前記第１タイプのセルスタック装置は、前記第１〜第５実施例に限定されることなく、最小限、前記（Ａ）乃至（Ｃ）の構成を備えていれば、他の種々の具体的構成が考えられ、然る時も、前記（ａ）と同様の効果が期待できる。

図３（ａ）に於いて、５１は第２タイプの第１実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置５１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記（Ａ）及び（Ｂ）と、次の（Ｅ）の構成を併せ備えている。

即ち、前記（Ａ）及び（Ｂ）の構成の加え、（Ｅ）燃料電池セル２の下端がマニホールド４の内側側面に係止されており、燃料電池セル２の下端面とマニホールド４の内側底面４ａ（この場合、内側側面の下端部が内側底面４ａとなる場合がある。）との間に空間６が形成されている。

更に又、前記セルスタック装置５１は、第２タイプの第１実施例として特有の構成を有する。具体的には、図に示すように、（Ｆ１）マニホールド４の左内側面５２が下方中央部に向かって斜設され、右内側面５３が下方中央部に向かって斜設され、内側側面である斜設する左右内側面５２，５３に燃料電池セル２の左右下端が係止されている。そして、燃料電池セル２の下端下方の左右内側面５２，５３に挟まれて空間６が断面略三角形状に形成されている。

而して、前記セルスタック装置５１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、燃料電池セル２下端の開口部からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置５１は、第２タイプのセルスタック装置として、（ｂ）燃料電池セル２の下端がマニホールド４の内側側面に係止されているため、このマニホールド４の内側側面への燃料電池セル２下端の係止により、発電中にセルスタック装置５１が高温に晒され、燃料電池セル２の下端部のガスシール部分が軟化したとしても、燃料電池セル２の下方への位置ずれが発生することがない。

図３（ｂ）に於いて、６１は第２タイプの第２実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置６１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置（図３（ａ）に於いて５１）の前述した（Ａ），（Ｂ），（Ｅ）の構成を有し、更に、第２タイプの第２実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｆ２）マニホールド４の左右内側面６２，６３が下方中央部に向かって外側に向かって膨らむように湾曲状に切欠され、断面視、上方に開放する略半円状に形成されており、湾曲した左右内側面６２，６３に燃料電池セル２の左右下端が係止されている。そして、燃料電池セル２の下端と、その下方の湾曲した左右内側面６２，６３との間に空間６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置６１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、燃料電池セル２下端の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置６１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置５１で述べた前記（ｂ）と同様の効果が期待できる。

図４（ａ）に於いて、７１は第２タイプの第３実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置７１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置（図３（ａ）に於いて５１）の前述した（Ａ），（Ｂ），（Ｅ）の構成を有し、更に、第２タイプの第３実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｆ３）マニホールド４の左右内側面７２，７３が下方中央部に向かって外側に向かって膨らむように湾曲状に切欠され、断面視、上方に開放する略半円形状に形成されており、湾曲した左右内側面７２，７３の上部に拡幅する如く形成された段差７４，７５が設けられ、燃料電池セル２の左右下端が段差７４，７５に係止されている。そして、燃料電池セル２の下端と、左右内側面７２，７３間に空間６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置７１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、燃料電池セル２の下端面の開口部（図示せず）からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置７１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置５１で述べた前記（ｂ）と同様の効果が期待できる。

図４（ｂ）に於いて、８１は第２タイプの第４実施例のセルスタック装置であり、セルスタック装置８１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置（図３（ａ）に於いて５１）の前述した（Ａ），（Ｂ），（Ｅ）の構成を有し、更に、第２タイプの第４実施例の特有の構成として、具体的には、（Ｆ４）マニホールド４の左右内側面８２，８３が内側底面４ａに向かって垂設され、ガス室３が、断面視、略矩形状に形成されており、左右内側面８２，８３の上部に拡幅する如く形成された段差８４，８５が設けられ、燃料電池セル２の左右下端が段差８４，８５に係止されている。そして、燃料電池セル２の下端と、内側底面４ａとの間に空間６が形成されている。

而して、前記セルスタック装置８１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、燃料電池セル２の下端に開口する開口部からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置８１は、第２タイプのセルスタック装置として、前記セルスタック装置５１で述べた前記（ｂ）と同様の効果が期待できる。

尚、前記第２タイプのセルスタック装置は、前記第１〜第４の実施例に限定されることなく、少なくとも、前記（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｅ）の構成を備えていれば、他の種々の具体的構成が考えられ、然る時も、前記（ｂ）と同様の効果が期待できる。

図５に於いて、９１は本発明の第３タイプのセルスタック装置であり、セルスタック装置９１は、第３タイプのセルスタック装置として、前記（Ａ）及び（Ｂ）と、次の（Ｇ）の構成を備えている。

即ち、前記（Ａ）及び（Ｂ）の構成の加え、（Ｇ）燃料電池セル２の下端がガス室３に連通する隙間部を有する絶縁性支持部材９２を介してマニホールド４の内側底面４ａに支持されており、即ち、マニホールド４の内側底面４ａ上に絶縁性支持部材９２が載置され、絶縁性支持部材９２上端に燃料電池セル２の下端が載置され、燃料電池セル２の下端面とマニホールド４の内側底面４ａとの間であって、絶縁性支持部材９２によって形成されるガス室３に連通する隙間部に空間６が形成されている。

前記絶縁性支持部材９２は、例えば、図に於いて、燃料電池セル２の左右下端部を支持するべく、マニホールド４の内側底面４ａに平行に載置された２枚の板状体である。但し、前記絶縁性支持部材９２は、２枚の板状体に限定されず、絶縁性があり、且つ、ガス室３に連通する隙間部が形成される他の種々の部材であっても良く、然る時も同様な効果が期待できる。

而して、前記セルスタック装置５１に於いて、マニホールド４のガス室３内に導入された燃料ガスは、空間６を介して、燃料電池セル２の開口部からガス流路内に供給される。

斯くして、前記セルスタック装置９１は、第３タイプのセルスタック装置として、（ｃ）燃料電池セル２の下端が絶縁性支持部材９２を介してマニホールド４の内側底面４ａに支持されているため、発電中にセルスタック装置５１が高温に晒され、燃料電池セル２の下端部のガスシール部分が軟化したとしても、燃料電池セル２の下方への位置ずれが発生することがない。

尚、前記第３タイプのセルスタック装置は、前記セルスタック装置９１の構成に限定されることなく、少なくとも前記（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｇ）の構成を備えていれば、他の種々の具体的構成が考えられ、然る時も、前記（ｃ）と同様の効果が期待できる。

次に、前記セルスタック装置１、１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１及び９１の製造方法に関し、３つの製造方法の特徴を説明する。
先ず、第１の製造方法の特徴を、例えば、図１（ａ）に示す前記セルスタック装置１を用いて説明すると、セルスタック装置１の（Ｈ）マニホールド４の天板５が無機材料からなり、複数の燃料電池セル２の下端部のガスシールとマニホールド４の天板５の作製が同時に行われる。例えば、天板５を作製するための鋳型内に燃料電池セル２をセットし、鋳型内に無機材料を流し込み、焼成して、天板５の作製と共に、流し込んだ無機材料によって、燃料電池セル２を天板５にガスシール可能な状態に接合させるものである。このような天板５を、上面が開口したマニホールド本体の開口部に配置し、無機材料にて接合することにより、セルスタック装置を作製できる。

前記第１の製造方法によれば、前記セルスタック装置１を製造できるとともに、（ｅ）燃料電池セル２の下端部の接合とマニホールド４の天板５とを無機材料により同時に形成できるため、容易にセルスタック装置１を作製できる。

前記（Ｈ）に示した第１の製造方法と同様な製造方法により、他の前記セルスタック装置１１，２１，３１、４１，５１，６１，７１，８１及び９１も製造することができ、然る時も、前記（ｅ）の効果と同様の効果が期待できる。

次に、第２の製造方法の特徴を、例えば、図１（ａ）に示す前記セルスタック装置１を用いて説明すると、セルスタック装置１の（Ｉ）マニホールド４が無機材料からなり、複数の燃料電池セル２の下端部のガスシールとマニホールド４の作製が同時に行われる。例えば、マニホールド４を作製するための鋳型内に燃料電池セル２及び空間６形成用の中子をセットし、鋳型内に無機材料を流し込み、焼成して、マニホールド４の作製と共に、流し込んだ無機材料によって、燃料電池セル２をマニホールド４に、或いは、マニホールド４の上端部に形成される天板部にガスシール可能な状態に接合させるものである。

前記第２の製造方法によれば、セルスタック装置１を製造できるとともに、（ｆ）燃料電池セル１の下端部の接合とマニホールド４とを無機材料により同時に形成できるため、容易にセルスタック装置１を作製できる。

前記（Ｉ）に示した第２の製造方法と同様の製造方法により、他の前記セルスタック装置１１，２１，３１、４１，５１，６１，７１，８１及び９１も製造することができ、然る時も、前記（ｆ）の効果と同様の効果が期待できる。

又、第３の製造方法として、複数のセル挿入孔が形成された金属製の支持板を用い、この支持板のセル挿入孔に燃料電池セルをそれぞれ挿入し、燃料電池セルの下端部を無機材料によりガスシールして、支持板上に燃料電池セルを立設接合し、支持板を、上面が開口したマニホールド本体の開口部に配置し、無機材料により接合することによっても本発明のセルスタック装置を作製できる。

図６に於いて、１０１は、４個の前記セルスタック装置１，１…を収納容器１０２内に収納した燃料電池を示す。
前記燃料電池１０１によれば、前記セルスタック装置１，１…が前述した効果（ａ）の効果を奏することにより、（ｇ）発電中にセルスタック装置１が長期間高温に晒され、燃料電池セル２の下端部のガスシール部分が軟化したとしても、燃料電池セル２の下方への位置ずれが発生することがないため、燃料電池１０１の長期信頼性を向上できる。

又、前記セルスタック装置１に代えて、他の前記セルスタック装置１１，２１，３１、４１，５１，６１，７１，８１及び９１のうちいずれかのセルスタック装置、或いは、前記第１又は第２製造方法により製造した前記セルスタック装置１、１１，２１，３１、４１，５１，６１，７１，８１及び９１のうちいずれかのセルスタック装置を収納容器１０２内に収納することも可能であり、これらのセルスタック装置を収納容器１０２内に収納した燃料電池も前記燃料電池１０１の効果（ｇ）と同様な効果が期待できる。

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１ セルスタック装置
２ 燃料電池セル
２ａ ガス流路
３ ガス室
４ マニホールド
４ａ 内側底面
５ 天板
６ 空間
９２ 絶縁性支持部材
１０１ 燃料電池
１０２ 収納容器

Claims (2)

1. 軸長方向にガス流路を有する複数の燃料電池セルの下端部を、内部にガス室が形成されたマニホールドの天板に、無機材料によりガスシールされた状態で立設接合してなり、前記燃料電池セルのガス流路と前記マニホールド内のガス室とが連通し、前記燃料電池セルの下端が前記ガス室に連通する隙間部を有する絶縁性支持部材により前記マニホールドの内側底面に支持されており、前記燃料電池セルの下端面と前記マニホールドの内側底面との間に空間が形成されており、該空間に前記燃料電池セルのガス流路が開口していることを特徴とするセルスタック装置。
2. 収納容器内に、請求項１に記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする燃料電池。

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