JP6175410B2 - 燃料電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、シール材の割れを防止するとともに、ガス漏れを好適に防止できる燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、積層方向から大きな力が加わった場合でも、コンプレッションシール材によって、過大な力がガラスシール材に加わることを抑制できるので、ガラスシール材が割れることを防止でき、この点からも好適にガス漏れを防止することができる。
(2)本発明は、第2態様として、前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記ガラスシール材が配置されているとともに、該ガラスシール材の外周側に、前記コンプレッションシール材が配置されていることを特徴とする。
本第4態様では、ボルト(及びボルトに螺合するナット)によって、燃料電池を締め付け押圧して固定するので、固定が容易であるとともに、確実に固定できるという利点がある。
つまり、燃料電池を構成する部材としては、燃料極側の空間(燃料流路)と空気極側の空間(空気流路)とを分離するセパレータや、燃料電池の構成単位である燃料電池セルを区分するとともに、各燃料電池セル間の導通を確保するインターコネクタや、燃料電池の積層方向の端部を構成する部材であるエンドプレートが挙げられる。
なお、以下に、本発明の各構成について説明する。
・前記燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)が挙げられる。
・ガラスシール材としては、通常のガラス(例えば非結晶化ガラス)を用いることができるが、それ以外に、結晶化ガラス、部分結晶化ガラス(半結晶化ガラス)を用いることができる。また、ガラス成分以外に、セラミックなど各種の材料を添加してもよい。
・各燃料電池セルを積層方向から押圧する部材として、ボルトを使用する場合には、ボルトの熱膨張係数としてガラスシール材の熱膨張係数より大きいものが好ましい。これにより、燃料電池の運転時等(ガラスが軟化しないとき)に、ボルトによってガラスシール材に圧縮応力をかけることができるので、(引張応力が加わる場合に比べて)ガラスの割れを低減できる。
図1に示す様に、燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)との供給を受けて発電を行う装置である。
また、図1(a)に示す様に、各ボルト11〜18のうち、第2ボルト12に螺合するナット19には、燃料ガスを燃料電池1に供給する燃料ガス導入管21が設けられ、第4ボルト14に螺合するナット19には、酸化剤ガス(以下、単に空気と記す)を燃料電池1に供給する空気導入管23が設けられ、第6ボルト16に螺合するナット19には、発電後の燃料ガスを燃料電池1から排出する燃料ガス排出管25が設けられ、第8ボルト18に螺合するナット19には、発電後の空気を燃料電池1から排出する空気排出管27が設けられている。
・図2に示す様に、前記燃料電池スタック5を構成する各燃料電池セル3は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状の燃料電池セル3であり、この燃料電池セル3には、上下一対の(導電性を有する)インターコネクタ43、43の間に、燃料ガスが流れる燃料流路31と空気が流れる空気流路33とが分離して設けられている。
ここで、固体酸化物層37としては、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極35としては、Ni及びNiとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極39としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
なお、燃料電池セル3の平面形状は正方形であるので、燃料電池セル3を構成する各部材の平面形状も正方形である。
また、対向する辺に設けられた第2、第6挿通孔62、66は、辺に沿った寸法が長い長円形である、このうち、第2挿通孔62が、燃料ガスを燃料電池セル3内の燃料流路31に導入する燃料ガスの導入路(燃料ガスの導入側の燃料マニホールド)である。一方、第6挿通孔66が、燃料ガスを燃料電池セル3内の燃料流路31から排出する燃料ガスの排出路(燃料ガスの排出側の燃料マニホールド)である。
前記燃料極フレーム49は、正方形の枠状の板材であり、その外縁部には、前記ボルト11〜18が貫挿される前記第1〜第8挿通孔61〜68が形成されている。
そして、上述した構成のカセット57は、図4に示すように、間にシート状のガスシール部45を介して積層されている。
<燃料ガスの流路>
図6(a)に示すように、燃料ガス導入管21から燃料電池スタック5内に導入された燃料ガスは、第2ボルト12が挿通される(導入側の燃料マニホールドである)第2挿通孔62に導入される。
その後、燃料電池セル3内にて発電に寄与した残余の燃料ガスは、燃料極フレーム49の他の溝79を介して、第6ボルト16が挿通される(排出側の燃料マニホールドである)第6挿通孔66を介して、燃料ガス排出管25から燃料電池スタック5外に排出される。
図6(b)に示すように、空気導入管23から燃料電池スタック5内に導入された空気は、第4ボルト14が挿通される(導入側の空気マニホールドである)第4挿通孔64に導入される。
その後、燃料電池セル3内にて発電に寄与した残余の空気は、コンプレッションシール材91の他の連通路97を介して、第8ボルト18が挿通される(排出側の空気マニホールドである)第8挿通孔68を介して、空気排出管27から燃料電池スタック5外に排出される。
図7(a)に示すように、定法に従って、燃料極35と固体酸化物層37と空気極39とが一体となった(正方形の板状の)セル本体(単セル)41を作製し、このセル本体(
単セル)41の外縁部に枠状のセパレータ47をろう付けする。
なお、ガラスを加熱するとガラスシール材93が軟化するが、上述のように、ボルト11〜18の熱膨張係数は、セパレータ47、インターコネクタ43、燃料極フレーム49等のような積層方向に配置された金属板の熱膨張係数や、ガラスシール材93の熱膨張係数より大きいので、ガラスの加熱時には、燃料電池スタック5は全体が緩んだ状態となる(ボルト11〜18の押圧力は減るが、無くなっている訳ではない)。その後、冷却されると、ボルト11〜18等が積層方向に縮んで(元に戻って)圧縮場となっているので、ガラスシール材93が圧縮された状態で封止される(即ちガラスによって封止される)。
d)本実施例1の効果について説明する。
本実施例1では、燃料マニホールドである第2、第6挿通孔62、66と、空気マニホールドである第4、第8挿通孔64、68との周囲には、セパレータ47やインターコネクタ43(又はエンドプレート51)によって積層方向から挟まれるとともに、各マニホールドを囲むように、ガスシール部45が配置されている。
本実施例2は、実施例1とは、燃料電池のガスシール部の構成が異なるので、ガスシール部について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例1と同様な番号を使用する。
更に、本実施例2では、ガスシール部101とセパレータ47との間に、図10に示すように、実施例1の枠状の燃料極フレーム49と同様な(但し向きは平面視で90度異なっている)空気極フレーム118を配置している(実施例3も同様)。
本実施例3は、実施例1とは、燃料電池のガスシール部の構成が異なるので、ガスシール部について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例1と同様な番号を使用する。
本実施例4は、実施例1とは、燃料電池のボルト及びナットのガスシール部分の構成が異なるので、このガスシール部分について説明する。なお、その他の構成については、前記実施例1と同様な番号を使用する。
ここで、ボルト131が挿通される挿通孔145は、前記実施例1と同様な燃料マニホールドであるが、前記実施例2と同様に、燃料マニホールドと空気マニホールドの両方でもよい。
上述した構成、例えば第1ガスシール部137を形成する場合には、図13に示すように、ボルト131の周囲に環状のコンプレッションシール材147を配置するとともに、コンプレッションシール材147の周囲に環状のガラスシール材149を配置する。
(1)例えば、燃料電池スタックを積層方向に押圧する方法としては、上述したボルト及びナットの螺合による締め付け以外に、例えば積層方向に荷重を加えるように錘を乗せる方法、バネを利用して積層方向に押圧する方法などが挙げられる。
なお、各燃料マニホールドや空気マニホールドと、各燃料マニホールドや空気マニホールドに挿通される各ボルトとは、それぞれ同軸に配置されていなくともよい(図示せず)。また、各ボルトは、各燃料マニホールドや空気マニホールドの外部に配置されていてもよい(図示せず)。
3…燃料電池セル
5…燃料電池スタック
11、12、13、14、15、16、17、18、131…ボルト
19、133…ナット
35…燃料極
37…固体酸化物層
39…空気極
41…セル本体(単セル)
43…インターコネクタ
45、101、121、137、143…ガスシール部
47…セパレータ
49…燃料極フレーム
51、135、141…エンドプレート
57…カセット
61、62、63、64、65、66、67、68、145…挿通孔
91、111、123、125、147、151…コンプレッションシール材
93、103、105、107、109、127、149、153…ガラスシール材
Claims (7)
- 電解質層と、該電解質層の一方の面に設けられて燃料ガスに接する燃料極と、該電解質層の他方の面に設けられて酸化剤ガスに接する空気極と、を有する板状の燃料電池セルが、複数積層されるとともに、該燃料電池セルが前記積層方向から押圧された状態で組み付けられた平板型の燃料電池において、
前記燃料電池には、前記燃料ガスが前記燃料極に接する流路である燃料極側の空間に連通する燃料マニホールド及び前記酸化剤ガスが前記空気極に接する流路である空気極側の空間に連通する酸化剤マニホールドのうち少なくとも一方が、前記積層方向に延びるように設けられており、
前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲には、前記燃料電池を構成する部材によって前記積層方向から挟まれるとともに、前記燃料電池セルが広がる平面に沿って、前記少なくとも一方のマニホールドの周囲を囲むように、コンプレッションシール材が配置され且つガラスシール材が配置され、
前記ガラスシール材は、前記燃料電池の運転温度より高い軟化点を有し、
前記コンプレッションシール材は、マイカ又はバーミキュライトからなるシート状の部材であることを特徴とする燃料電池。 - 前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記ガラスシール材が配置されるとともに、該ガラスシール材の外周側に、前記コンプレッションシール材が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記少なくとも一方の前記積層方向に延びるマニホールドの周囲に、環状に前記コンプレッションシール材が配置されるとともに、該コンプレッションシール材の外周側に、前記ガラスシール材が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池は、ボルト締めによって、前記積層方向に押圧されて組み付けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池を構成する部材は、前記燃料極側の空間と前記空気極側の空間とを分離するセパレータ、前記燃料電池セルを区分するとともに各燃料電池セル間の導通を確保するインターコネクタ、前記燃料電池の積層方向の端部を構成するエンドプレートのうち、少なくとも1種であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材とは、各燃料電池セル間を分離するインターコネクタ又は前記燃料電池の積層側の端部に配置されたエンドプレートと、前記電解質層に接合されて前記燃料極側の空間と前記空気極側の空間とを分離するセパレータとの間に配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池を製造する燃料電池の製造方法において、
前記燃料電池を構成する部材によって前記積層方向において挟まれるとともに、前記積層方向に沿って設けられた前記燃料マニホールド及び前記酸化剤マニホールドの少なくとも一方の周囲を囲むように、前記コンプレッションシール材と前記ガラスシール材となるガラス材料とを同一平面上に配置する第1工程と、
前記第1工程の後に、前記燃料電池の積層方向より圧力を加えて、前記コンプレッションシール材を押圧する第2工程と、
前記第2工程の後に、前記ガラス材料が軟化する温度以上で加熱し、その後冷却することによって、前記ガラスシール材を形成するとともに、該ガラスシール材を、前記燃料電池を構成する部材に接合する第3工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
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