JP5200318B2

JP5200318B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP5200318B2
Application number: JP2005225468A
Authority: JP
Inventors: 尚史小谷; 直也村上
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: JP2007042442A

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、運転時（発電時）の高温雰囲気下において熱歪みにより生じるセパレータの平面方向の動きを防止するための固定構造に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、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）で挟み込んだ積層構造を有する。

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタック化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。

このような積層型の燃料電池は、例えば、特許文献１に開示されている。
特許文献１には、燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層された、車両（自動車車体）搭載用の燃料電池スタックが記載されている。当燃料電池スタックは横置きにして使用するため、車両運転時の振動や衝撃によって燃料電池セルやセパレータがずれたり開いたりしないよう、積層体の積層方向に設けた固定用のロッドにより固定されている。
特開２００２−５６８８２号公報

ところで、既述したように、平板積層型の燃料電池は、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構成要素相互の優れた密着性が要求される。このため、通常は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用されており、例えば、スタック上下端に締付板を配し、上下締付板をボルト・ナットにて両端より締め付けすることにより積層体を一括して加重している。

ところが、このような荷重構造では、発電中の高温雰囲気下において、セパレータの熱膨率にも依るが、特に金属製セパレータの場合は、セパレータ自体が熱歪みにより面方向に変位し易く、これに圧接・挟持される発電セルに面方向の応力が作用して発電セルが破損（割れ）するという問題が有った。

本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、発電時の高温雰囲気下において熱歪みにより生じるセパレータの平面方向の動きを規制することにより、熱応力による発電セルの破損を防止した信頼性の高い燃料電池スタック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、周辺部に板厚方向に貫通する一対のガス孔が設けられたセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重して構成した平板積層型の燃料電池スタックにおいて、前記各セパレータには、前記一対のガス孔が設けられた周辺部および前記発電セルが位置する中央部の間に可撓性を有する連絡部分を形成するとともに、前前記中央部の前記発電セルの外れた位置に当該各セパレータの積層方向に貫通する複数の通孔を設け、かつこれら通孔に前記積層体の積層方向の加重に寄与せず運転時の熱歪みによる前記セパレータの面方向の動きのみを規制する固定ロッドを挿通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に記載の燃料電池スタックにおいて、前記発電セルとセパレータとが垂直方向に積層されて成ることを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池スタックにおいて、前記固定ロッドの熱膨張率は、前記セパレータの熱膨張率に比べて小さいことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池スタックにおいて、前記固定ロッドの材料としてアルミナまたはシリカを用いたことを特徴としている。

本発明によれば、多数積層されたセパレータの各々に固定ロッドを挿通して熱歪みによるセパレータの面方向の動きを規制したので、発電中の高温雰囲気下において、各セパレータ間に圧接・挟持される発電セルに熱応力が加わらなくすることができ、これにより、発電セルの破損が防止できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）の構成を示し、図２は図１のＡ−Ａ矢視である。

図１（ｂ）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を配した円状の発電セル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２に示すように、四角形のステンレス板で構成され、その中央部に配した発電セル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、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路１２とを備えている。

セパレータ８の一対角線上の角部に板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は上記燃料ガス通路１１に連通し、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路１２に連通している。各ガス孔１３、１４から、これらのガス通路１１、１２を通してガス吐出口１１ａ、１２ａより各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが吐出・供給されることによって発電セル５の各電極において発電反応が生じる。
尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結される。

また、本実施形態のセパレータ８は、図２に示すように、左右端部のガス孔１３、１４部分と中央の発電セル５が位置する部分とを繋ぐ連絡部分８ａ、８ａを細長帯状として後述する荷重に対する可撓性を持たせた構造としており、これにより、構成要素の積層・組立で生じるセパレータ周縁部分と中央部分の高さバラツキ等を吸収して全面が均等に加重されるようにして積層体を構成する各発電要素の密着性とガスケット部分のガスシール性を向上している。

図１に示す燃料電池スタック１は、上記構成の単セル１０を、間にガスケット１５、１６を介在して多数積層すると共に、その上下両端にステンレス製の角板で成る締付板２０、２０を配して周縁部の４箇所をボルト・ナット２１ａ、２１ｂにて締め付けし、その締め付け荷重によって各構成要素を一体的に密着させた構造としている。また、締め付け荷重により、各々のガスケット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、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス導入用の管状マニホールドと酸化剤ガス導入用の管状マニホールドの２系統が形成される。

ところで、既述したように、上記構成のような平板積層型の燃料電池スタックでは、発電時に発電セル内に発生するジュール熱等によりセパレータ８に熱歪みが生じると、その面方向の変位により発電セル５に水平方向の応力が作用して発電セル５が破損するという問題が有った。

そこで、本発明では、図１、図２に示すように、上下両端の締付板２０、２０、および、これら締付板２０、２０に挟持される複数のセパレータ８の各々にそれぞれ通孔２２を設けると共に、これら通孔２２に固定ロッド２３を積層体の積層方向（垂直方向）に挿通し、この固定ロッド２３により熱歪みによるセパレータの面方向の動きを規制することにより、熱応力による上記発電セル５の破損を防止するようにした。

本実施形態では、セパレータ８面上の発電セル５が位置する部分を囲むように、その外周近傍に、且つ対角線状に４箇所通孔２２を設けて固定ロッド２３を挿通している。因みに、通孔２２の孔径は３φ、これに挿通される固定ロッド２３の外径は３．５φとしている。

これら固定ロッド２３は、上端締付板２０の通孔２２より挿通され、その下端部が下端締付板２０において支持されている。従って、全ての固定ロッド２３は、各通孔２２に遊嵌された状態となっており、積層体の積層方向への加重には何等寄与しておらず、単にセパレータ８の面方向の動きのみを規制している。

また、固定ロッド２３の材料としては、絶縁性、高耐熱性を有し、且つ、セパレータ８の材料（ステンレス）より熱膨張率の小さい、例えば、アルミナ、またはシリカ等を用いている。
固定ロッド２３の熱膨張率をセパレータ８の熱膨張率より小さくしたのは、発電中に固定ロッド２３の熱歪みがセパレータ８に与える機械的影響を無くすためであり、固定ロッド２３を絶縁性ロッドとしたのは、各々セパレータ同士がこの固定ロッド２３により短絡されるのを回避するためである。

尚、通孔２２の数は、上述した平面方向の４箇所に限るものではなく、少なくとも３箇所以上設けてあれば良く、セパレータ８の平面方向の動きは確実に規制できる。特に、３箇所に設ける場合は、発電セル５が位置する部分を囲むようにその外周近傍に等間隔（正三角形状）に配設されることが望ましい。

以上、固定ロッド２３を用いた燃料電池スタック１の固定構造によれば、多数積層されたセパレータ８の各々に固定ロッド２３を挿通して発電の熱歪みによるセパレータ８変位、すなわち、面方向の動きを規制するようにしたので、発電時の高温雰囲気下において、各セパレータ８間に圧接・挟持される発電セル５に面方向の熱応力を加わらなくすることができ、発電セル５の破損が防止できる。これにより、発電セル５の寿命が向上し、安定した発電性能が得られる信頼性の高い燃料電池スタック１が実現できる。

本発明が適用された燃料電池スタックの構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。図１のＡ−Ａ矢視図。

符号の説明

１燃料電池スタック（固体酸化物形燃料電池）
５発電セル
８セパレータ
２２通孔
２３固定ロッド

Claims

発電セルと、周辺部に板厚方向に貫通する一対のガス孔が設けられたセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重して構成した平板積層型の燃料電池スタックにおいて、
前記各セパレータには、前記一対のガス孔が設けられた周辺部および前記発電セルが位置する中央部の間に可撓性を有する連絡部分を形成するとともに、前記中央部の前記発電セルの外れた位置に当該各セパレータの積層方向に貫通する複数の通孔を設け、かつこれら通孔に前記積層体の積層方向の加重に寄与せず運転時の熱歪みによる前記セパレータの面方向の動きのみを規制する固定ロッドを挿通したことを特徴とする燃料電池スタック。
前記発電セルとセパレータとが垂直方向に積層されて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記固定ロッドの熱膨張率は、前記セパレータの熱膨張率に比べて小さいことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池スタック。
前記固定ロッドの材料としてアルミナまたはシリカを用いたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池スタック。