JP6684021B2

JP6684021B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6684021B2
Application number: JP2016072621A
Authority: JP
Inventors: 如吉峯; 啓司塚本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: JP2017183225A

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型の燃料電池スタックに関する。

従来、平板積層型の燃料電池スタックにおいては、積層された燃料電池セルに対してボルト締結によって荷重を付与することが行われている（特許文献１，２参照）。
かかる燃料電池スタックでは、高温時（熱間時）においても燃料電池セル間のガスのシール性及び電気的接続を確保する必要がある。
そのため、特許文献１，２に記載の技術では、バネ、弾性体等を設けることによってボルト締結荷重の変化を防止している。

特開２０００−２０８１６３号公報特開２００４−３４８０５２号公報

しかし、特許文献１，２に記載の技術では、バネ、弾性体等の機構を設けることによって構成が複雑化するとともに、燃料電池スタックが積層方向に大型化するという問題があった。

本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、簡易かつ小型な構成で高温時のボルトの熱伸びによる荷重抜けを防止することが可能な燃料電池スタックを提供することを課題とする。

前述した課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、燃料電池セルが積層されている積層体と、前記積層体の積層方向の少なくとも一面に配置されている不織布と、前記積層体と前記不織布との間に配置されている板部材と、前記積層体、前記板部材及び前記不織布を有する積層構造に対して、締結によって積層方向に荷重を付与するボルトと、を備え、前記板部材は、前記不織布及び前記板部材を除く前記積層構造と前記ボルトとよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されていることを特徴とする。

かかる構成によると、簡易かつ小型な構成で、不織布の弾性によって、高温時のボルトの熱伸びによる荷重抜けを防止することができる。
また、かかる構成によると、積層体に偏荷重が作用することを防止することができる。
また、かかる構成によると、不織布の弾性によるボルトの熱変形への追従を可能とし、荷重抜けを好適に防止することができる。また、荷重抜け防止のための大掛かりな機構が不要であり、コンパクト化が可能である。

前記積層構造は、前記不織布の前記積層体とは反対側に配置されているエンドプレートを備える構成であってもよい。

かかる構成によると、不織布側からの放熱を低減することができる。

本発明によると、燃料電池スタックにおいて、簡易かつ小型な構成で高温時のボルトの熱伸びによる荷重抜けを防止することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成説明図である。図１の部分拡大図である。前記燃料電池モジュールの斜視説明図である。本発明の実施形態に係る燃料電池スタックのボルト締結構造を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール１０には、原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（原燃料ポンプ１２を含む）１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプ１６を含む）１８とが接続される。

燃料電池モジュール１０は、平板積層型燃料電池スタック２０、部分酸化改質器（ＰＯＸ）２２、熱交換器（ＨＥＸ）２４、排ガス燃焼器２６及びスタック用加熱器２８を備える。燃料電池スタック２０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池３０を備える。複数の燃料電池（燃料電池セル）３０は、鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、燃料電池積層方向（以下、単に積層方向という）両端には、ベースプレート３１ａ及びエンドプレート３１ｂが配置される。なお、本実施形態において、複数の燃料電池３０は、鉛直方向に積層されているが、積層方向は特に限定されず、水平方向に積層されている構成であってよい。

図２に示すように、燃料電池３０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質３２の両面に、カソード電極３４及びアノード電極３６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３８を備える。

電解質・電極接合体３８の両側には、カソード側セパレータ４０とアノード側セパレータ４２とが配設される。カソード側セパレータ４０には、カソード電極３４に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路４４が形成されるとともに、アノード側セパレータ４２には、アノード電極３６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４６が形成される。なお、燃料電池３０としては、従来から使用されている種々の個体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いることができる。

燃料電池３０は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３６では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ（内部改質）、この水素、ＣＯが電解質３２の前記アノード電極３６側に供給される。

図１に示すように、燃料電池スタック２０には、各酸化剤ガス流路４４の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、前記酸化剤ガス流路４４の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４８ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。

燃料電池スタック２０には、各燃料ガス流路４６の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔５０ａと、前記燃料ガス流路４６の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔５０ｂとが設けられる。燃料ガス入口連通孔５０ａ及び燃料ガス出口連通孔５０ｂは、燃料電池スタック２０内を積層方向（矢印Ａ方向）に延在する。

部分酸化改質器２２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と酸化剤ガスとの部分酸化反応により前記原燃料を改質し、燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスを生成する。部分酸化改質器２２は、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）又はＰｄ（パラジウム）の少なくとも１種類の触媒金属を使用する。

部分酸化改質器２２は、具体的には、原燃料中に含まれるメタン（ＣＨ_４）の他、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主として水素、ＣＯを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器である。部分酸化改質器２２は、約５００℃〜１０００℃の作動温度に設定される。

熱交換器２４は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック２０に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器２６は、燃料電池スタック２０から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させるとともに、熱交換器２４に供給する。スタック用加熱器２８は、燃料電池スタック２０の昇温、降温又は温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータや燃焼バーナ等が使用される。

燃料電池スタック２０の積層方向一端側（ベースプレート３１ａ側）には、部分酸化改質器２２、熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６が配置される。燃料電池スタック２０の積層方向他端側（エンドプレート３１ｂ側）には、スタック用加熱器２８が配置される。

原燃料供給装置１４は、原燃料を部分酸化改質器２２に供給する原燃料通路５２を備える。酸化剤ガス供給装置１８は、酸化剤ガスを熱交換器２４から燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給する酸化剤ガス通路５４を備える。酸化剤ガス通路５４から分岐する酸化剤ガス分岐通路５６は、原燃料通路５２の途上に接続され、部分酸化改質器２２に原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが供給される。部分酸化改質器２２には、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給する燃料ガス通路５８が接続される。

燃料電池スタック２０の酸化剤ガス出口連通孔４８ｂには、前記燃料電池スタック２０から排出される酸化剤排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる酸化剤排ガス通路６０が接続される。燃料電池スタック２０の燃料ガス出口連通孔５０ｂには、前記燃料電池スタック２０から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器２６に導入させる燃料排ガス通路６２が接続される。排ガス燃焼器２６の出口側には、燃焼ガス通路６４の一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路６４の他端が熱交換器２４に接続される。熱交換器２４には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス（排ガス）を排出する排気通路６６が接続される。

図３に示すように、燃料電池スタック２０では、ベースプレート３１ａ及びエンドプレート３１ｂ間が複数本の止めねじ（ボルト）６８により固定され、積層方向に所望の締め付け荷重が付与される。エンドプレート３１ｂには、スタック用加熱器２８が直接固定される一方、ベースプレート３１ａには、熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６が互いに並列して直接固定される。

熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６は、矩形状を有し、互いに並列されることにより、全体の外形寸法がベースプレート３１ａの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した寸法に設定される。熱交換器２４及び排ガス燃焼器２６には、部分酸化改質器２２が直接固定される。

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池モジュール１０の起動時には、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１８では、空気ポンプ１６の駆動作用下に酸化剤ガス通路５４に空気が供給される。空気の一部は、酸化剤ガス分岐通路５６に導入されて部分酸化改質器２２に供給されるとともに、残余の空気は、熱交換器２４に供給される。

一方、原燃料供給装置１４では、原燃料ポンプ１２の駆動作用下に原燃料通路５２に、例えば、都市ガス（ＣＨ₄、Ｃ₂Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、Ｃ₄Ｈ₁₀を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、部分酸化改質器２２内に供給される。このため、部分酸化改質器２２内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、部分酸化改質が開始される。

例えば、Ｏ₂／Ｃ＝０．５に設定されると、２ＣＨ₄＋Ｏ₂→４Ｈ₂＋２ＣＯとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器２２から高温（約５００℃〜１０００℃）の還元ガス（燃料ガス）が発生する。

高温の還元ガスは、燃料ガス通路５８を介して燃料電池スタック２０の燃料ガス入口連通孔５０ａに供給される。燃料電池スタック２０では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路４６を流通した後、燃料ガス出口連通孔５０ｂから燃料排ガス通路６２に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路６２に連通する排ガス燃焼器２６内に導入される。

排ガス燃焼器２６には、後述するように、空気（酸化剤ガス）が供給されており、前記空気と還元ガスとが、自己着火され、又は着火手段（図示せず）により着火され、燃焼される。排ガス燃焼器２６内に発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路６４から熱交換器２４に供給され、前記熱交換器２４に供給された空気が昇温される。

昇温された空気は、燃料電池スタック２０の酸化剤ガス入口連通孔４８ａに供給され、各酸化剤ガス流路４４を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂから酸化剤排ガス通路６０に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器２６に導入されて、燃焼処理に使用される。このため、排ガス燃焼器２６では、燃焼により燃料電池スタック２０をベースプレート３１ａ側から輻射又は伝熱加熱する。

上記の酸化剤ガス供給装置１８及び原燃料供給装置１４の駆動と同時に、スタック用加熱器２８が駆動される。従って、燃料電池スタック２０は、エンドプレート３１ｂ側からも加熱される。

燃料電池スタック２０は、所望の運転開始温度に昇温されるとともに、部分酸化改質器２２の改質状態が良好であると判断されると、発電が開始される。燃料電池スタック２０の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路４４を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路４６を流通する。これにより、図２に示す各燃料電池３０のカソード電極３４に空気が供給されるとともに、アノード電極３６に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。

＜燃料電池スタックのボルト締結構造＞
続いて、燃料電池スタック２０について、図４を参照して説明する。図４において、積層されている各部材は、分かりやすくするために離間して記載されている。

図４に示すように、燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セル３０と、ダミーの燃料電池セル３０Ａと、複数のガスケット１０１と、上下一対のターミナルプレート１０２と、剛体板１０３と、キャニングマット１０４と、上下一対のスカート１０５と、スタックケース１０６と、ベースプレート３１ａと、エンドプレート３１ｂと、ボルト６８と、を備える。

≪燃料電池セル、積層体及びダミーの燃料電池セル≫
燃料電池セル３０は、いわゆるＭＳＣ（Metal-Supported Cell）であり、主にフェライト系ＳＵＳ（例えば、ＮＳＳ４５５Ｍ２）によって形成されている金属製部材である。複数の燃料電池セル３０は、上下方向に積層されており、２つの燃料電池セル３０間に設けられているガスケット１０１とともに積層体Ｘを構成している。積層体Ｘは、図４においては３層の燃料電池セル３０を有しているが、４層以上の燃料電池セル３０を有する構成であってもよい。

ダミーの燃料電池セル３０Ａは、積層体Ｘの上側にガスケット１０１を介して配置されている。

≪ガスケット≫
複数のガスケット１０１は、平板形状を呈する金属製部材（フェライト系ＳＵＳ（例えば、ＮＳＳ４５５Ｍ２）製）であって、燃料電池スタック２０の他部材間に配置されるスペーサである。複数のガスケット１０１は、それぞれ、２つの燃料電池セル３０間、積層体Ｘとダミーの燃料電池セル３０Ａとの間、積層体Ｘと下側のターミナルプレート１０２との間、下側のターミナルプレート１０２と下側の剛体板１０３との間、及び、下側の剛体板１０３とスカート１０５との間に配置されている。

≪ターミナルプレート≫
上下一対のターミナルプレート１０２は、平板形状を呈する金属製部材（フェライト系ＳＵＳ（例えば、ＮＳＳ４５５Ｍ２）製）である。上側のターミナルプレート１０２は、ダミーの燃料電池セル３０Ａの上側に配置されており、下側のターミナルプレート１０２は、積層体Ｘの下側に配置されている。

≪剛体板≫
上下一対の剛体板１０３は、板部材の一例であって、平板形状を呈する金属製又はセラミック製部材（オーステナイト系ＳＵＳ、アルミナ等）である。上側の剛体板１０３は、上側のターミナルプレート１０２の上側に配置されており、下側の剛体板１０３は、下側のターミナルプレート１０２の下側に配置されている。

剛体板１０３は、上下一対の当該剛体板１０３間に配置されている内部部材、上下一対のスカート１０５、ベースプレート３１ａ及びエンドプレート３１ｂよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されている。また、積層体Ｘとキャニングマット１０４との間に配置されている上側の剛体板１０３は、キャンニングマット１０４を介して付与される荷重をターミナルプレート１０２、ダミーの燃料電池セル３０Ａ及び燃料電離セル３０の積層体Ｘへ均一に伝達することが可能な剛性を有する。

≪キャニングマット≫
キャニングマット１０４は、セラミックファイバ製（例えば、アルミナ繊維製）の不織布である。キャニングマット１０４は、上側の剛体板１０３の上側に配置されている。キャニングマット１０４は、以下に示す性能を有する。
・高温（例えば、７００度）での耐久性が高い
・断熱性及び絶縁性を有する
・高温（例えば、７００度）でも弾性を有する

より詳細には、キャニングマット１０４は、ストレスサイクル特性に優れた無膨張マットである。また、キャニングマット１０４は、高温（ＳＯＦＣ運転温度である７００度）において、材料劣化等に伴う荷重抜けを防ぐことができる。また、キャニングマット１０４は、室温とＳＯＦＣ運転温度とが繰り返されるヒートサイクルにおいても、材料劣化等に伴う荷重抜けを防ぐことができる。

≪スカート及びスタックケース≫
上下一対のスカート１０５は、縁部にフランジ部が形成されている平板形状を呈する金属製部材（フェライト系ＳＵＳ（例えば、ＮＳＳ４５５Ｍ２）製）である。スタックケース１０６は、四角筒形状を呈する金属製部材（フェライト系ＳＵＳ（例えば、ＮＳＳ４５５Ｍ２）製）である。上下一対のスカート１０５及びスタックケース１０６は、スカート１０５のフランジ部がスタックケース１０６の内周面に接合されることによって、筐体を構成する。

≪ベースプレート及びエンドプレート≫
ベースプレート３１ａは及びエンドプレート３１ｂは、平板形状を呈する金属製部材（フェライト系ＳＵＳ（例えば、ＮＳＳ４５５Ｍ２）製）である。ベースプレート３１ａは、下側のスカート１０５の下側に配置されており、エンドプレート３１ｂは、上側のスカート１０５の上側に配置されている。

≪ボルト≫
ボルト６８は、燃料電池スタック２０の各部材を締結固定するとともに、締結によって各部材に荷重を付与するための金属製部材（フェライト系ＳＵＳ）である。

≪積層構造≫
かかる燃料電池スタック２０では、下から順に、ベースプレート３１ａ、スカート１０５、ガスケット１０１、剛体板１０３、ガスケット１０１、ターミナルプレート１０２、積層体Ｘ、ガスケット１０１、ダミーの燃料電池セル３０Ａ、ターミナルプレート１０２、剛体板１０３、キャニングマット１０４、スカート１０５、及び、エンドプレート３１ｂが積層されて積層構造Ｙを構成している。積層構造Ｙを構成する各部材には、ボルト挿通穴が形成されている。また、ベースプレート３１ａに形成されたボルト挿通穴は、ボルト６８と螺合可能な有底の雌ネジ部である。ボルト６８の軸部は、金属製のボルトカラー１０７を介して積層された各部材のボルト挿通穴に挿通され、ベースプレート３１ａのボルト挿通穴に螺合する。

ボルト６８は、かかる締結によって、積層構造Ｙに対して積層方向に荷重を付与する。かかる荷重は、以下に示す大小関係を満たすことが望ましい。

キャニングマット１０４の耐荷重＞ボルト６８によって締結初期に付与される荷重＞ボルト６８によって締結緩和後に付与される荷重＞ヒートサイクル後にボルト６８によって付与される荷重＞積層体Ｘのシール性及び電気的接続（集電）に必要な荷重

≪積層構造及びボルトの材料≫
本実施形態において、キャニングマット１０４及び剛体板１０３を除く積層体Ｙとボルト６４とは、高温（７００度）における線膨張係数が略同じであるフェライト系ＳＵＳによって形成されている。また、剛体板１０３は、キャニングマット１０４及び剛体板１０３を除く積層体Ｙとボルト６４とよりも高温（７００度）における線膨張係数が大きいオーステナイト系ＳＵＳによって形成されている。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタック２０は、キャニングマット１０４が設けられているので、簡易かつ小型な構成で、当該キャニングマット１０４の弾性によって、高温時のボルト６８の熱伸びによる荷重抜けを防止することができる。

また、燃料電池スタック２０は、キャニングマット１０４と積層体Ｘとの間に剛体板１０３が設けられているので、積層体Ｘに偏荷重が作用することを防止することができる。

また、燃料電池スタック２０は、キャニングマット１０４及び剛体板１０３を除く積層構造Ｙとボルト６８とがフェライト系ＳＵＳによって形成されているので、積層構造Ｙとボルト６８との熱膨張差を低減することができる。

また、燃料電池スタック２０は、剛体板１０３がキャニングマット１０４及び剛体板１０３を除く積層構造Ｙとボルト６８とよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されているので、キャニングマット１０４の弾性によるボルト６８の熱変形への追従を可能とし、荷重抜けを好適に防止することができる。
また、燃料電池スタック２０は、荷重抜け防止のための大掛かりな機構が不要であり、コンパクト化が可能である。

また、燃料電池スタック２０は、エンドプレート３１ｂが設けらているので、キャニングマット１０４側からの放熱を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、キャニングマット１０４は、下側の剛体板１０３と下側のスカート１０５（又はベースプレート３１ａ）との間にも配置されている構成であってもよい。

２０燃料電池スタック
３０燃料電池セル（燃料電池）
３１ｂエンドプレート
６８ボルト
１０３剛体板（板部材）
１０４キャニングマット（不織布）

Claims

燃料電池セルが積層されている積層体と、
前記積層体の積層方向の少なくとも一面に配置されている不織布と、
前記積層体と前記不織布との間に配置されている板部材と、
前記積層体、前記板部材及び前記不織布を有する積層構造に対して、締結によって積層方向に荷重を付与するボルトと、
を備え、
前記板部材は、前記不織布及び前記板部材を除く前記積層構造と前記ボルトとよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されている
ことを特徴とする燃料電池スタック。
前記積層構造は、前記不織布の前記積層体とは反対側に配置されているエンドプレートを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。