JP5766132B2

JP5766132B2 - セルスタック装置および燃料電池装置

Info

Publication number: JP5766132B2
Application number: JP2012016743A
Authority: JP
Inventors: 小田　智之; 智之小田; 晋平白石; 栄造松井; 真紀末廣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013157191A

Description

本発明は、セルスタック装置および燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池装置では、セルスタック装置が、収納容器に収納されて構成されており、このセルスタック装置は、内部に一端から他端にガスを流すガス流路を有するセルを複数個配列し、各セル間を電気的に接続したセルスタックが、各セルの一端がマニホールドと呼ばれるガスケースの開口部に接着されている。

このようなセルスタック装置では、セルスタックとガスケースを気密に封止し、セルの内部と外部に燃料ガスと酸素含有ガスをきちんと分けて流して、効率のよい発電が可能になる。そこで、特許文献１では、セルスタックが嵌め込まれるガスケースの開口部の外縁部を突出させて、セルスタックとガスケースとを気密に封止することが提案されている。

特開２０１１−１５０９９４号公報

しかしながら、特許文献１のように、セルスタックをガスケースに直接嵌め込んで接着する方法では、セルを接着する際に接着剤がセルのガス流路側に回り込んで固化する場合があり、ガスの流れの妨げになり、ガス流路を塞いでしまったりするおそれがあるが、これを除去することが難しいという問題があった。また、特許文献１では、セルスタックとガスケースとを接着するための接着剤が流れ出し、セルスタックとガスケースを気密に封止できない場合があった。

そこで、本発明の目的は、セルスタックとガスケースとを気密に封止できるとともに、セル中のガスの流れを妨げないガス流路を安定して作製可能な構造のセルスタック装置、およびこのセルスタック装置を収納してなる燃料電池装置を提供することである。

本発明のセルスタック装置は、一端部から他端部へ貫通するガス流路を内部に有するセルを複数個配列してなるセルスタックと、複数個の前記セルそれぞれの前記一端部を囲む枠体と、該枠体の内側でかつ前記セルの一端部の周囲に充填されて前記セルと前記枠体とを接着している第１接着剤と、前記ガス流路にガスを供給する開口部を有して、前記枠体が接着されるガスケースと、を具備して、前記枠体が、前記ガスケースの前記開口部に第２接着剤で接着されているとともに、前記ガスケースの前記枠体が前記第２接着剤で接着されている接着部が凹状であり、前記枠体の端部が前記接着部にて前記第２接着剤に埋設された状態で接着されており、前記セルの一端部側におけるガス流路の開口が、前記ガスケースの内部と連通しており、前記枠体の端部の内面と前記ガスケースの前記開口部を構成する壁の外面との間の隙間に前記第２接着剤が設けられているとともに、前記ガスケースの前記開口部を構成する壁は、前記ガスケースの前記接着部の外側よりも上方に突出しているものである。

また、本発明の燃料電池装置は、上記セルスタック装置を収納容器内に収納したものである。

本発明のセルスタック装置は、セルの一端部を第１接着剤で枠体に接着しており、かつ、この枠体がガスケースに設けられた凹部に第２接着剤で接着されている。この構成では、第１接着剤がガス流路を妨げる位置まで回りこんで固化しても、余分な第１接着剤を容易に除去することができる。

また、ガスケースに設けられた凹部である接着部に、枠体の端部が第２接着剤に埋設されて接着されていることで、枠体とガスケースとをより確実に接着できて、セルスタックとガスケースとを安定して気密封止できる。加えて、ガスケースの枠体が接着された接着部から第２接着剤がはみ出して美観を損なうことも防止できる。

本実施形態のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）の点線枠で囲った部分の一部拡大平面図、（ｃ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図１のセルスタック装置のセルスタック支持部材と保護カバーの構成を説明するための斜視図である。図１のセルスタック装置の（ａ）概略斜視図、（ｂ）スタックとガスケースとの接続部付近の拡大断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図）である。（ａ）（ｂ）本発明の他の本実施形態のセルスタック装置におけるスタックとガスケースとの接続部付近の拡大断面図である。（ａ）図４（ｂ）のスペーサの構成についての平面図であり、（ｂ）図４（ｂ）のスペーサの変形例についての拡大断面図である。本発明のセルスタック装置に用いられる集電部材および端部集電部材の構成を説明するための模式図である。

（セルスタック装置）
図１は、本実施形態のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図２は、図１のセルスタック装置のセルスタック支持部材と保護カバーの構成を説明するための斜視図であり、図３（ａ）は、図１のセルスタック装置の概略斜視図、図３（ｂ）はセルスタックとガスケースとの接続部付近の拡大断面図（図１（ａ）のＡ−Ａ断面図）である。

セルスタック装置１（以下、スタック装置１と略することがある。）は、図１および図３に示すように、セル３の複数個が整列した状態で立設しているとともに、隣接するセル３間に集電部材４ａを介して電気的に直列に接続したセルスタック２（以下、スタック２と略することがある。）を有している。すなわち、隣接するセル３間に集電部材４ａが挟まれている。

セル３の内部には、一端部から他端部へ長さ方向Ｌに貫通するガス流路１３を有しており、セル３の一端部（図１、３の下端部）は枠体１６で囲まれており、枠体１６の内側に充填された第１接着剤１７でセル３の下端部の外周が接着されている。つまり、スタック２は、枠体１６の内側に複数のセル３を並べて収容し、第１接着剤１７で枠体１６に接着されている。

また、スタック２の最も外側に位置するセル３ａに端部集電部材４ｂが接着されており、この端部集電部材４ｂの外側には、端部集電部材４ｂに接着して電気的に接続されたセルスタック支持部材５（以下、スタック支持部材５と略することがある。）が存在する。図２に示すように、スタック支持部材５の外側には保護カバー６がある。保護カバー６は、スタック２の周囲（スタック装置１（ａ）の周囲）に置かれる断熱材との接触や外部か
らの衝撃に対して、スタック支持部材５およびスタック２を保護する。また、スタック支持部材５にはスタック２の外側に突出する電流引き出し部７が接続されている。

一方、ガスケース（マニホールド）２０は、セル３のガス流路１３にガスを供給する開口部２１を上面に有して、スタック２が開口部２１を塞ぐように環状の枠体１６の端部が、ガスケース２０の開口部２１を取り囲むように形成された凹溝状の接着部２２に差し込まれている。そして、枠体１６の端部がガスケース２０に凹溝状の接着部２２内の第２接着剤１８に埋設された状態で接着されており、セル３のガス流路１３以外の部分が気密に封止されている。本実施態様によれば、ガスケース２０の枠体１６が接着されている接着部２２が凹溝をなして凹んでおり、枠体１６の端部が接着部２２の第２接着剤１８中に差し込まれて第２接着剤１８に埋設された状態で接着されている。

これによって、本実施形態のスタック装置１は、スタック２が、枠体１６の内部にセル３の一端部が第１接着剤１７で接着されて封止接着され、枠体１６が第２接着剤１８でガスケース２０に接着された２つの接着部を有する構造からなる。この構成では、スタック２をガスケース２０に接続する前に、別途、セル３の一端部を第１接着剤１７で枠体１６に接着し、その後で枠体１６をガスケース２０に接着して封止接着することが可能である。そのため、セル３を第１接着剤１７で枠体１６に接着する工程において、第１接着剤１７がガス流路１３を妨げる位置まで回りこんで固化しても、この回り込んだ余分な第１接着剤１７がガスケース２０の内部に存在しないので、スタック２の下面がむき出しの状態で余分な第１接着剤１７を除去する作業を行うことができる。しかも、ガスケース２０に凹溝状に凹んだ部分を接着部２２として、第２接着剤１８が充填された部分に枠体１６の端部を埋設して接着することによって、枠体１６とガスケース２０とをより確実に接着でき、スタック２とガスケース２０とを安定して気密封止できる。加えて、ガスケース２０の枠体１６が接着された接着部２２から第２接着剤１８がはみ出して美観を損なうことも防止できる。

なお、凹溝状の接着部２２は、ガスケース２０の開口部２１（言い換えれば枠体１６）を取り囲むように環状に形成されている。また、ガスケース２０の開口部２１側は接着部２２よりも上方に突出しているが、図３（ｂ）の構成では、枠体１６の端部の内面と、ガスケース２０の開口部を構成する壁の外面との隙間をほぼ一定に保持した状態で、ガスケース２０の接着部２２の外側よりも上方に突出している。これによって、接着部２２に溜まった第２接着剤１８が毛細管現象によってガスケースの開口部２１側と枠体１６との間よりも高い位置まで充填され強固に接着されるために、枠体１６とガスケース２０との封止性をさらに高めることができる。

ここで、本発明は上記図１−３の実施態様に限定されるものではなく、例えば、接着部３１は、図４（ａ）に示されるように、ガスケース３０の上面の肉厚を厚くして、接着部３１となる部分を削り込んで溝状としたものであってもよい。また、図４（ｂ）に示されるように、ガスケース２０の接着部３６の外側に断面が四角柱状またはコの字（Ｃ字）状またはＬ字状のスペーサ３７、３８を、枠状となるように載置してもよい。すなわち、ガスケース２０は、枠体１６の端部が接着されている部分の外周を、ガスケース２０の開口部２１を形成する立設壁と所定間隔をおいて囲むスペーサを有しており、スペーサと立設壁とで凹溝状の接着部を形成している。ここで、この構成においても、接着部３６はその両側に対して凹溝状に凹んでいる。なお、図３（ｂ）、図４（ａ）（ｂ）、図５（ｂ）は断面図であるが、簡略化のために斜線を省略して記載した。

なお、図１−３のスタック装置１のように、２組のスタック２を１つのガスケース２０に組み込んでスペーサ３７、３８を用いる場合には、例えば、図４（ｂ）および図５（ａ）に示すように、２組のスタック２の間に、２つの側面を１つの底面でつないだコの字（
Ｃ字）状のスペーサ３７を配置し、それ以外の２組のスタック２の外側には、１つの側面と１つの底面とからなるＬ字状のスペーサ３８を配置すればよい。

また、本発明はこの構成に限定されるものではなく、２組のスタック２のそれぞれの外周にスペーサ３７を配置したものであってもよく、２組のスタック２を取り囲む外周にスペーサ３８を配置し、２組のスタック２の間はスペーサ３８を２列並べたものであってもよい。このとき、枠状のスペーサ３７、３８は、図５（ｂ）に示すように、ガスケース２０の表面に開口部が向くように、図４（ｂ）の載置状態に対してひっくり返した向きに載置してもよい。

さらに、第１接着剤１７と第２接着剤１８とは、燃料電池装置の運転温度よりも軟化点が高いガラス等の材料からなり、熱膨張係数を加味して所定のフィラーを添加したものであるが、同一材料からなることが取り扱いの容易さの点で望ましい。枠体１６の内側に複数のセル３を並べて収容し、第１接着剤を枠体１６の内側に充填して接着剤の軟化点以上の温度で焼きつけることによって、セル３が枠体１６に接着される。そして、セル３の底面に残存する余分な第１接着剤を研磨加工等で除去した後、枠体１６の端部をガスケース２０の接着部２２に嵌め合わせて、接着部２２にディスペンサー等を用いて第２接着剤１８を注入し、再び接着剤の軟化点以上の温度（１回目の焼き付け温度よりも低め）で焼きつけることによって、スタック２をガスケース２０に接続することができる。なお、第２接着剤１８は、先に接着部２２に注入しておいてから枠体１６を接着部２２に嵌め合わせてもよい。

（セル）
ここで、セル３は、図１（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板１２（以下、支持基板１２と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層８、固体電解質層９及び空気側電極層１０を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。また、セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１１が設けられており、支持基板１２の内部には、セル３に燃料ガスを流すためのガス流路１３が一端部から他端部に亘る長さ方向Ｌに設けられている。さらに、インターコネクタ１１の外面（上面）にはＰ型半導体層１４が設けられている。Ｐ型半導体層１４を介して、集電部材４ａをインターコネクタ１１に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。なお、図１（ａ）では集電部材４ａ、端部集電部材４ｂの記載を省略している。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。

また、本発明において、セル３は各種セルが知られているが、発電効率のよいセルとする上で、上記構成からなる固体酸化物形セルが好適に採用できる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。また、上記中空平板状のセル３以外にもセルが円筒形状であってもよい。

燃料側電極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層９は、燃料側電極層８、空気側電極層１０間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成し
てもよい。

空気側電極層１０は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気側電極層１０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持基板１２としては、燃料ガスを燃料側電極層８まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１１を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板１２としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。セル３を作製するにあたり、燃料側電極層８または固体電解質層９との同時焼成により支持基板１２を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板１２を形成することが好ましい。また、図１に示したセル３において、柱状（中空平板状）の支持基板１２は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板１２は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板１２の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１１は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１１は支持基板１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および支持基板１２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

そして、セル３を電気的に接続するために介装される集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂは、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

図６（ａ）は集電部材４ａ、（ｂ）は端部集電部材４ｂの一例を示したものである。図６（ａ）に示した集電部材４ａは、セル３の長手方向に沿った一対の接続部３１と、一対の接続部３１間を連結するように設けられた隣接するセル３と接触するための板状をした複数の接触部３２とを有する形状からなる。

このような集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂは、セル３の変形に対して良好な追従性を有する。また端部集電部材４ｂも、集電部材４ａと同じ形状とすることができるが、セル３の変形に対する追従性を更に向上させるために、図６（ｂ）に示すように、隣接する一方のセル３の平坦面に当接する第１導電体片３３と、隣接する一方のセル３の一方の端部から隣接する他方のセル３の他方の端部へと傾斜して延びる第２導電体片３４と、他方のセル３の平坦面に当接する第３導電体片３５と、他方のセル３の一方の端部から一方
のセル３の他方の端部へと傾斜して延びる第４導電体片３６とを基本要素として具備する。第１〜第４の導電体片はこの順序で端部同士を次々に連結されており、さらにこの順序で繰り返し導電体片が連結されることにより、軸方向に延在する一繋がりの形状であることが望ましい。

（燃料電池装置）
さらに、上述したスタック装置１を収納容器（図示せず）内に収納した燃料電池装置においても、セル３のガス流路１３を気密に封止することができ、また、スタック２とガスケース２０とを安定して気密封止できることから、長期信頼性が向上した燃料電池装置となる。

１セルスタック装置（スタック装置）
２セルスタック（スタック）
３セル
１６枠体
１７第１接着剤
１８第２接着剤
２０、３０ガスケース
２１開口部
２２、３１、３６接着部
３７、３８スペーサ

Claims

一端部から他端部へ貫通するガス流路を内部に有するセルを複数個配列してなるセルスタックと、
複数個の前記セルそれぞれの前記一端部を囲む枠体と、
該枠体の内側でかつ前記セルの一端部の周囲に充填されて前記セルと前記枠体とを接着している第１接着剤と、
前記ガス流路にガスを供給する開口部を有して、前記枠体が接着されるガスケースと、を具備して、
前記枠体が、前記ガスケースの前記開口部に第２接着剤で接着されているとともに、前記ガスケースの前記枠体が前記第２接着剤で接着されている接着部が凹状であり、
前記枠体の端部が前記接着部にて前記第２接着剤に埋設された状態で接着されており、
前記セルの一端部側におけるガス流路の開口が、前記ガスケースの内部と連通しており、
前記枠体の端部の内面と前記ガスケースの前記開口部を構成する壁の外面との間の隙間に前記第２接着剤が設けられているとともに、
前記ガスケースの前記開口部を構成する壁は、前記ガスケースの前記接着部の外側よりも上方に突出しているセルスタック装置。
前記枠体の端部の内面と前記ガスケースの前記開口部を構成する壁の外面との間の隙間の幅は、前記枠体の端部の外面と前記ガスケースの前記接着部の外側との間の隙間の幅よりも狭い請求項１記載のセルスタック装置。
前記ガスケースの前記接着部が溝状である請求項１または２記載のセルスタック装置。
前記ガスケースは、前記枠体の端部が接着されている部分の外周を囲むスペーサを有する請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
前記セルと前記枠体とを接着している第１接着剤と、前記枠体と前記ガスケースとを接着している第２接着剤とが同一材料からなる請求項１乃至４のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセルスタック装置を、収納容器内に収納してなる燃料電池装置。