JP6063597B1 - 燃料電池のスタック構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】各燃料電池セル間の急激な温度変化を抑制することのできる燃料電池のスタック構造体を提供する。【解決手段】燃料電池のスタック構造体は、燃料マニホールド200と、セル集合体300とを備えている。セル集合体300は、複数の燃料電池セル301を有する。各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200から延びている。また、各燃料電池セル301は、第1方向に並んでいる。第1方向において、セル集合体300の遠位端部304の幅L2は、セル集合体300の近位端部303の幅L1よりも小さい。【選択図】図3
Description
本発明は、燃料電池のスタック構造体に関するものである。
燃料電池のスタック構造体は、燃料マニホールドと、燃料マニホールドから延びる複数の燃料電池セルとを備えている(特許文献1)。詳細には、燃料マニホールドは複数の挿入孔を有しており、この挿入孔に各燃料電池セルが挿入されている。そして、各燃料電池セルは、接合材を用いて燃料マニホールドに固定されている。また、各燃料電池セルは、集電部材を介して電気的に接続されている。この集電部材は、接合材を介して各燃料電池セルに接合されている。
上述したように構成された燃料電池のスタック構造体において、燃料利用率や、空気利用率、電流密度を変更させることがある。このように燃料電池のスタック構造体の運転条件が変わると、各燃料電池セルにおける発熱量が変化する。この各燃料電池セルの発熱量の変化によって、各燃料電池セル間の温度が急激に変化すると、各燃料電池セルの耐久性が低下するという問題がある。
そこで、本発明は、各燃料電池セル間の急激な温度変化を抑制することを課題とする。
本発明のある側面に係る燃料電池のスタック構造体は、燃料マニホールドと、セル集合体とを備えている。セル集合体は、複数の燃料電池セルを有する。各燃料電池セルは、燃料マニホールドから延びている。また、各燃料電池セルは、第1方向に並んでいる。第1方向において、セル集合体の遠位端部の幅は、セル集合体の近位端部の幅よりも小さい。
上記燃料電池のスタック構造体によれば、セル集合体の遠位端部の幅が近位端部の幅よりも小さいため、各燃料電池セル間の間隔は、遠位端部に向かって狭まっている。したがって、各燃料電池セル間における保温性が向上し、各燃料電池セル間の急激な温度変化を抑制することができる。
好ましくは、セル集合体の近位端部の幅に対する、セル集合体の遠位端部の幅の割合は、0.987以下である。
好ましくは、セル集合体は、集電部材と第1接合材とをさらに有する。集電部材は、各燃料電池セル間に配置されている。また、集電部材は、各燃料電池セルを電気的に接続する。第1接合材は、集電部材と燃料電池セルとを接合する。
好ましくは、燃料電池のスタック構造体は、燃料マニホールドに各燃料電池セルを接合する第2接合材をさらに備える。
燃料マニホールドは、複数の貫通孔を有していてもよい。そして、各燃料電池セルは、各貫通孔に挿入されている。第2接合材は、燃料電池セルが挿入された状態の各貫通孔内に充填される。
燃料マニホールドは、貫通孔を有していてもよい。そして、各燃料電池セルは、貫通孔に挿入されている。第2接合材は、燃料電池セルが挿入された状態の貫通孔内に充填される。
好ましくは、第2接合材は、結晶化ガラスである。なお、結晶化ガラスとは、非晶質材料(非晶質ガラス)に熱処理(結晶化処理)を施すことによって非晶質材料が結晶化(固化、セラミックス化)されたものである。具体的には、結晶化ガラスは、結晶化度が60%以上である。
好ましくは、第2接合材は、MgO−CaO−SiO2−B2O3系の結晶化ガラス及びMgO−BaO−SiO2−B2O3系の結晶化ガラスよりなる群から選択される少なくとも1種である。
好ましくは、集電部材は、酸化物セラミックスである。
本発明によれば、各燃料電池セル間の急激な温度変化を抑制することができる。
以下、本発明に係る燃料電池のスタック構造体の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、燃料電池のスタック構造体100は、燃料マニホールド200と、少なくとも1つのセル集合体300とを備えている。なお、セル集合体300は、複数の燃料電池セル301によって構成されている。
図2に示すように、燃料マニホールド200は、燃料ガスを各燃料電池セル301に分配するように構成されている。燃料マニホールド200は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド200の内部空間には、導入管201を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド200は、第1方向(z軸方向)に沿って並ぶ複数の貫通孔202を有している。なお、本実施形態において、燃料マニホールド200の長手方向は第1方向に沿って延びている。各貫通孔202は、燃料マニホールド200の支持板203に形成されている。各貫通孔202は、燃料マニホールド200の内部空間と外部とを連通する。
図3に示すように、セル集合体300は、複数の燃料電池セル301と複数の第1集電部材302とを備えている。各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200から延びている。詳細には、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200の支持板203から上方(x軸方向))に延びている。すなわち、各燃料電池セル301の長手方向は、上方に延びている。
図4に示すように、燃料電池セル301は、複数の発電素子部10と、支持基板20とを備えている。各発電素子部10は、支持基板20の両面に支持されている。なお、各発電素子部10は、支持基板20の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部10は、電気的接続部30(図5参照)によって互いに電気的に接続されている。
支持基板20は、支持基板20の長手方向に延びる複数のガス流路21を内部に有している。各ガス流路21は、互いに実質的に平行に延びている。図5に示すように、支持基板20は、複数の第1凹部22を有している。各第1凹部22は、支持基板20の両面に形成されている。各第1凹部22は長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第1凹部22は、支持基板20の幅方向(y軸方向)の両端部には形成されていない。
支持基板20は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板20は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、支持基板20は、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板20の気孔率は、例えば、20〜60%程度である。
支持基板20の長手方向(x軸方向)の長さは、150〜300mm程度とすることが好ましい。また、支持基板20の短手方向(y軸方向)の長さは、10〜200mm程度とすることが好ましい。支持基板20の厚さ(z軸方向の長さ)は、1〜5mm程度とすることが好ましい。また、各燃料ガス流路21の直径は、0.5〜3mm程度とすることが好ましい。
各発電素子部10は、燃料極4、電解質5、及び空気極6を有している。また、各発電素子部10は、反応防止膜7をさらに有している。燃料極4は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極4は、燃料極集電部41と燃料極活性部42とを有する。
燃料極集電部41は、第1凹部22内に配置されている。詳細には、燃料極集電部41は、第1凹部22内に充填されており、第1凹部22と同様の外形を有する。各燃料極集電部41は、第2凹部41a及び第3凹部41bを有している。燃料極活性部42は、第2凹部41a内に配置されている。詳細には、燃料極活性部42は、第2凹部41a内に充填されている。
燃料極集電部41は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極集電部41は、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極集電部41の厚さ、並びに第1凹部22の深さは、50〜500μm程度である。
燃料極活性部42は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、燃料極活性部42は、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極活性部42の厚さは、5〜30μmである。
電解質5は、燃料極4上を覆うように配置されている。詳細には、電解質5は、あるインターコネクタ31から他のインターコネクタ31まで長手方向に延びている。すなわち、長手方向において、電解質5とインターコネクタ31とが交互に配置されている。
電解質5は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。電解質5は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、電解質5は、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。電解質5の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
反応防止膜7は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視において、燃料極活性部42と略同一の形状である。反応防止膜7は、電解質5を介して、燃料極活性部42と対応する位置に配置されている。反応防止膜7は、電解質5内のYSZと空気極6内のSrとが反応して電解質5と空気極6との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜7は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜7の厚さは、例えば、3〜50μm程度である。
空気極6は、反応防止膜7上に配置されている。空気極6は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極6は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極6は、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、又は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。空気極6は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極6の厚さは、例えば、10〜100μmである。
電気的接続部30は、隣り合う発電素子部10を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部30は、インターコネクタ31及び空気極集電膜32を有する。インターコネクタ31は、第3凹部41b内に配置されている。詳細には、インターコネクタ31は、第3凹部41b内に埋設(充填)されている。インターコネクタ31は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ31は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、インターコネクタ31は、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ31の厚さは、例えば、10〜100μmである。
空気極集電膜32は、隣り合う発電素子部10のインターコネクタ31と空気極6との間を延びるように配置される。例えば、図5の左側に配置された発電素子部10の空気極6と、図5の右側に配置された発電素子部10のインターコネクタ31とを電気的に接続するように、空気極集電膜32が配置されている。空気極集電膜32は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。
空気極集電膜32は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、空気極集電膜32は、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、空気極集電膜32は、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜32の厚さは、例えば、50〜500μm程度である。
燃料電池セル301に対して、支持基板20の燃料ガス流路21内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板20の上下面を酸素を含むガス(空気等)に曝すことにより、電解質5の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、空気極6において下記(1)式に示す化学反応が起こり、燃料極4において下記(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2 − …(1)
H2+O2 −→H2O+2e− …(2)
(1/2)・O2+2e−→O2 − …(1)
H2+O2 −→H2O+2e− …(2)
図3に示すように、第1集電部材302は、各燃料電池セル301間に配置されている。そして、第1集電部材302は、第1方向において隣り合う燃料電池セル301同士を電気的に接続する。詳細には、第1集電部材302は、セル集合体300の近位端部303側において、隣り合う燃料電池セル301同士を接続している。第1集電部材302は、複数の発電素子部10のうち、最も近位側(燃料マニホールド200側)に位置する発電素子部10Aよりも近位側に配置されている。
第1集電部材302は、例えば、酸化物セラミックスの焼成体で構成されている。このような酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物、又はスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、(La,Sr)MnO3、又は(La,Sr)(Co,Fe)O3等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、(Mn,Co)3O4、又は(Mn,Fe)3O4等が挙げられる。なお、第1集電部材302が、本発明の集電部材に相当する。この第1集電部材302は、例えば、可撓性を有していない。
第1集電部材302は、第1接合材101によって、各燃料電池セル301に接合されている。すなわち、第1接合材101は、第1集電部材302と各燃料電池セル301とを接合している。第1接合材101は、例えば、(Mn,Co)3O4、(La,Sr)MnO3又は(La,Sr)(Co,Fe)O3等よりなる群から選ばれる少なくとも1種である。
セル集合体300は、燃料マニホールド200に支持されている。詳細には、セル集合体300は、第2接合材102によって、燃料マニホールド200の支持板203に固定されている。より詳細には、図6に示すように、各燃料電池セル301は、燃料マニホールド200の貫通孔202に挿入されている。燃料電池セル301は、貫通孔202に挿入された状態で、第2接合材102によって燃料マニホールド200に固定されている。
第2接合材102は、燃料電池セル301が挿入された状態の貫通孔202内に充填される。すなわち、第2接合材102は、燃料電池セル301の外周面と、貫通孔202を画定する壁面との隙間に充填される。第2接合材102は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3系、SiO2−CaO系、又はSiO2−MgO系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラスを指す。なお、第2接合材102の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第2接合材102は、SiO2−MgO−B2O5−Al2O3系及びSiO2−MgO−Al2O3−ZnO系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
図3に示すように、セル集合体300は、近位端部303と遠位端部304とを有する。セル集合体300の近位端部303は、燃料マニホールド200側の端部である。セル集合体300の遠位端部304は、燃料マニホールド200から離れた側の端部である。第1方向において、セル集合体300の遠位端部304の幅L2は、セル集合体300の近位端部303の幅L1よりも小さい。好ましくは、セル集合体300の近位端部303の幅L1に対する、セル集合体300の遠位端部304の幅L2の割合(L2/L1)は、0.987以下である。なお、より好ましくは、割合(L2/L1)は、0.970〜0.987である。
燃料マニホールド200から突出している各燃料電池セル301の長手方向(x軸方向)の長さは、100〜300mm程度とすることができる。また、各燃料電池セル301は、第1方向に間隔をあけて並んでいる。第1方向における燃料電池セル301同士の間隔は、1〜5mm程度とすることができる。
次に、上述したように構成された燃料電池のスタック構造体の製造方法について説明する。
まず、燃料マニホールド200と複数の燃料電池セル301とを準備する。そして、図7に示すように、各燃料電池セル301を第1集電部材302及び第1接合材101によって接続し、セル集合体300を作製する。なお、この段階では第1接合材101は焼成されておらず、各燃料電池セル301は互いに仮止めの状態である。
次に、図8に示すように、セル集合体300の各燃料電池セル301の端部を燃料マニホールド200の各貫通孔202に挿入する。なお、各燃料電池セル301が第1方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。
次に、図3に示すように、燃料電池セル301が挿入された状態の貫通孔202内に第2接合材102を充填する。なお、第2接合材102は、支持板の表面から上方に向けてはみ出す程度まで充填することが好ましい。
次に、第1接合材101及び第2接合材102に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第1接合材101及び第2接合材102が固化され、スタック構造体100が完成する。詳細には、第1接合材101は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル301と第1集電部材302とが固定される。また、第2接合材102は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、結晶化温度下にて材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される第2接合材102が機能を発揮し、各燃料電池セル301の近位端部が燃料マニホールド200に固定される。
[変形例]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
例えば、図9に示すように、燃料電池のスタック構造体は、複数のセル集合体300と、少なくとも1つの第2集電部材305とを備えていてもよい。第2集電部材305は、隣り合うセル集合体300同士を電気的に接続する。第2集電部材305は、可撓性を有する金属で構成されている。
第2集電部材305の材料としては、ステンレス鋼又はNi基合金等が挙げられる。第2集電部材305は、金属板を折り曲げることによって可撓性を有していてもよいし、コイルスプリング構造とすることによって可撓性を有していてもよい。第2集電部材305は、第1集電部材302と同様に、第1接合材101によって燃料電池セル301と接合される。
第2集電部材305の外表面にセラミックスで構成されたコーティング膜が形成されてもよい。これにより、第2集電部材305がステンレス鋼などのクロムを含む金属で構成される場合において、第2集電部材305の表面から蒸発したクロムに起因して、電極の反応を劣化させる現象、いわゆるクロム被毒の問題が発生し難くなる。このコーティング膜は、緻密質(気孔率が10%以下)の膜であっても、多孔質(気孔率が10%より大きい)の膜であってもよい。
以下に実施例及び比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。
まず、セル集合体300を形成した。具体的には、各セル集合体300は、5〜20枚の燃料電池セル301によって構成された。各燃料電池セル301の支持基板20の長さは200mm、幅は50mm、厚さは3mmとした。また、各燃料電池セル301の支持基板20の材質は、MgO−MgAl2O4とした。これら各燃料電池セル301の間に第1集電部材302を配置した。そして、第1集電部材302と燃料電池セル301とを、(Mn,Co)3O4(第1接合材101)によって接合した。ここで、各燃料電池セル301の間隔は3mmとし、第1集電部材302の厚さは、2.5mmとした。第1集電部材302は、(La,Sr)MnO3によって形成した。
次に、上記セル集合体300を、燃料マニホールド200に取り付けた。具体的には、各燃料電池セル301を、燃料マニホールド200の各貫通孔202に挿入した。そして、各燃料電池セル301が挿入された状態の貫通孔202に第2接合材102としてSiO2-MgO-B2O3系のシール材料を充填した。
次に、燃料マニホールド200にセル集合体300が取り付けられた状態で、熱処理を行い、第2接合材102であるSiO2-MgO-B2O3系のシール材料を結晶化ガラスとするとともに、第1接合材101である(Mn,Co)3O4を焼成させた。この結果、燃料マニホールド200にセル集合体300が固定された。このようにして形成された各スタック構造体100において、セル集合体300の近位端部303の幅L1と遠位端部304の幅L2とを測定した。具体的には、デジタルノギスまたはレーザー式自動計測器を用いて、幅L1と幅L2の寸法データを取得した。測定値は5回測定したデータの平均値を採用した。そして、各スタック構造体について、近位端部303の幅L1に対する遠位端部304の幅L2の割合(L2/L1)と、保温性、及び近位端部303のクラック発生の有無との関係を評価した。この結果を表1に示した。なお、保温性の評価として、各燃料電池セル301間の温度を測定した。測定箇所は、各燃料電池セル301の幅方向(y軸方向)の中央部であり、且つ各燃料電池セル30の長手方向(x軸方向)の中央部において、第1方向(z軸方向)の両端部と、中央部と、両端部と中央部との中間点との5点とした。そして、各測定値の平均値が750度となるように設定し、セル集合体300の第1方向の両端部の平均値と中央部との温度差を算出し、この温度差が100度未満であれば「○」、100度以上であれば「×」として保温性を評価した。なお、上記評価の際における燃料電池スタックでは、電流密度が0.2A/cm2,燃料利用率が80%、空気利用率が20%であった。
表1の結果より、セル集合体300の遠位端部304の幅L2を、セル集合体300の近位端部303の幅L1よりも小さくすることによって保温性が改善されることが分かった。また、割合(L2/L1)を0.970以上とすることによって、クラックの発生を防止できることが分かった。なお、上記実施例では、長さ200mmの燃料電池セル301を用いて評価を行ったが、燃料電池セル301の長さが150mm、及び250mmであっても同様の傾向が見られることを確認した。
100 :スタック構造体
101 :第1接合材
102 :第2接合材
200 :燃料マニホールド
202 :貫通孔
300 :セル集合体
301 :燃料電池セル
302 :第1集電部材
303 :近位端部
304 :遠位端部
101 :第1接合材
102 :第2接合材
200 :燃料マニホールド
202 :貫通孔
300 :セル集合体
301 :燃料電池セル
302 :第1集電部材
303 :近位端部
304 :遠位端部
Claims (9)
- 燃料マニホールドと、
前記燃料マニホールドから延びるとともに第1方向に並ぶ複数の燃料電池セル、を有するセル集合体と、
を備え、
前記第1方向において、前記セル集合体の前記燃料マニホールドから離れた側の端部である遠位端部の幅は、前記セル集合体の前記燃料マニホールド側の端部である近位端部の幅よりも小さい、
燃料電池のスタック構造体。
- 前記セル集合体の近位端部の幅に対する、前記セル集合体の遠位端部の幅の割合は、0.987以下である、
請求項1に記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記セル集合体は、前記各燃料電池セル間において前記各燃料電池セルに接合されて前記各燃料電池セルを電気的に接続する集電部材をさらに有する、
請求項1または2に記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記燃料マニホールドに前記各燃料電池セルを接合する第2接合材をさらに備える、
請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記燃料マニホールドは、複数の貫通孔を有しており、
前記各燃料電池セルは、前記各貫通孔に挿入されており、
前記第2接合材は、前記燃料電池セルが挿入された状態の前記各貫通孔内に充填される、
請求項4に記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記燃料マニホールドは、貫通孔を有しており、
前記各燃料電池セルは、前記貫通孔に挿入されており、
前記第2接合材は、前記燃料電池セルが挿入された状態の前記貫通孔内に充填される、
請求項4に記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記第2接合材は、結晶化ガラスである、
請求項4から6のいずれかに記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記第2接合材は、MgO−CaO−SiO2−B2O3系の結晶化ガラス及びMgO−BaO−SiO2−B2O3系の結晶化ガラスよりなる群から選択される少なくとも1種である、
請求項4から7のいずれかに記載の燃料電池のスタック構造体。
- 前記集電部材は、酸化物セラミックスである、
請求項3に記載の燃料電池のスタック構造体。
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