JP6751254B2

JP6751254B2 - 燃料電池スタック

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Publication number: JP6751254B2
Application number: JP2016058783A
Authority: JP
Inventors: 陽介福山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: JP2017174605A

Description

本発明は、燃料電池スタックに係り、更に詳細には、シール材の厚さを薄くすることを可能にして燃料電池スタック外部へのガス漏れが防止された信頼性の高い燃料電池スタックに関する。

近年、発電効率が高く、しかも有害な排ガスをほとんど発生せず、地球環境に優しいクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されている。

各種燃料電池のうち、固体酸化物形燃料電池（以下、単に「ＳＯＦＣ」ということがある。）は、固体電解質の両面にガスを透過する電極を設け、上記固体電解質を隔壁として、一方の電極に水素や炭化水素などの燃料ガスを供給し、他方の電極に酸素含有ガスを供給して発電する燃料電池である。

上記固体酸化物形燃料電池は、その積層方向に電極及び固体電解質を備える発電領域と、該発電領域の周囲にフレーム領域とを有するものであり、該フレーム領域には上記発電領域にガスを供給するマニホールドや燃料電池外部へのガス漏れを防止するシール材等を有する。

また、一つの燃料電池（燃料電池単セル）から生じる電気エネルギーの量は限定的であり、充分な電気エネルギーを得るために、上記燃料電池単セルを直列に複数積層した燃料電池スタックとして利用する。

そして、燃料電池単セルを複数積層するためには、燃料電池単セルの発電領域の厚さとフレーム領域の厚さが同じであることが必要である。

しかし、上記発電領域には電極や固体電解質の他にガス流路を形成するセパレータ等、構成要素が多く、発電領域の厚さは必然的に厚くなる一方で、上記フレーム領域の厚さはセパレータやフレーム等の板厚分しかないため、発電領域とフレーム領域とは厚さに差が生じやすい関係にある。

したがって、フレーム領域のシール材の厚さを厚くすることや、フレーム領域にスペーサ等を設けたりすること等によって、フレーム領域の厚さと発電領域の厚さとを同じにする必要がある。

しかし、ＳＯＦＣの動作温度に耐えるガラス等の無機シール材は弾性が小さい一方で、熱特性が金属の熱特性と大きく異なるものであり、上記シール材と金属との熱特性の違いから、シール材の厚さを厚くすると、温度変化により燃料電池スタック外部へのガス漏れ等の問題が生じ易くなる。

特許文献１の特開２００９−１４６８８２号公報には、電極及び固体電解質を支持する多孔質金属支持体の外周部を、溶融やろう付けの充填剤によって多孔質金属支持体の空隙を埋めると共に、セパレータの外周部を厚くすることでガス漏れを防止することが開示されている。

特開２００９−１４６８８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものにあっては、多孔質金属支持体の成形後に多孔質金属支持体を溶融又はろう付けするため、多孔質金属支持体の溶融又はろう付けした箇所に寸法変化が生じ、ガス漏れが生じ易い。
加えて、セパレータの外周部を厚くする必要があり、平板からセパレータを作製することが困難である。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、温度変化が激しい使用状況においても簡易な構成でガス漏れを防止できる信頼性の高い燃料電池スタックを提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、上記フレーム領域のフレーム部から発電領域の発電部まで一体の構造からなる多孔質金属支持体について、多孔質金属支持体のフレーム部の厚さを、発電部の厚さよりも厚くすると共に、上記フレーム部の空隙率を上記発電部よりも小さくすることで、上記フレーム領域のシール材を薄くできることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の燃料電池スタックは、燃料電池単セルを複数積層した燃料電池スタックであり、上記燃料電池単セルが、固体電解質層の一方の面にアノード極を有し、他方の面にカソード極を有する発電ユニットと、上記発電ユニットのアノード極側に配置されるセパレータと、上記発電ユニットのアノード極と上記セパレータの間で、上記発電ユニットを支持する多孔質金属支持体と、上記多孔質金属支持体の上記発電ユニットを支持する側で、上記多孔質金属支持体の外周に配置されるシール層と、を備えるものである。
そして、上記多孔質金属支持体が、上記発電ユニットに接する発電部と上記発電部の外周にフレーム部とを有し、上記フレーム部の厚さが上記発電部よりも厚く、かつ、上記フレーム部の空隙率が上記発電部よりも小さいものであり、上記セパレータ、上記多孔質金属支持体のフレーム部および上記シール層により外周を封止したものであることを特徴とする。

本発明によれば、多孔質金属支持体のフレーム部の厚さを発電部よりも厚くすると共に、フレーム部の空隙率を発電部よりも小さくすることとしたため、ガス漏れが防止された信頼性の高い燃料電池スタックを提供することができる。

燃料電池単セルの構成を説明する分解状態の平面図である。多孔質金属支持体の開口部の拡大図である。本発明の燃料電池スタックの一例の要部断面図である。多孔質金属支持体の発電部のガス透過性を説明する図である。多孔質金属支持体のフレーム部のガス遮蔽性を説明する図である。多孔質金属支持体の成形方法を説明する図である。多孔質金属支持体の発電部とフレーム部の厚さ方向の中心線の位置関係を説明する図である。本発明の第２の実施例形態の燃料電池スタックの一例を示す要部断面図である。本発明の第３の実施例形態の燃料電池スタックの一例を示す要部断面図である。本発明の第４の実施例形態の燃料電池スタックの一例を示す要部断面図である。本発明の第５の実施例形態の燃料電池スタックの一例を示す要部断面図である。

（第１の実施形態）
本発明の燃料電池スタックは、燃料電池単セルを複数積層したものである。

本発明の燃料電池単セルの一例を図１に示す。
上記燃料電池単セルは、図１に示すように、フレーム部及び発電部を一体に成形した多孔質金属支持体上に、アノード極、固体電解質、及びカソード極を順に積層した発電ユニット２と、セパレータ３と、シール層４とを備える。

上記多孔質金属支持体は発電ユニット２を支持するものであり、その一部に発電ユニット２が積層される。具体的には、図１中、点線で示す位置の裏面に発電ユニットが積層される。
ここで、本発明においては、積層方向に上記発電ユニット２が存在する範囲が発電領域Ａであり、上記発電領域Ａの外周の発電ユニット不存在範囲がフレーム領域Ｆである。

上記セパレータ３は、上記発電ユニット２に対応する中央部分が、短辺方向の断面が波形状に形成され、この波形状は図１に示すように長辺方向に連続している。これにより、セパレータ３の波形状の凸部分が発電ユニット２又は多孔質金属支持体１に接触し、波形状における各凹部分に、上記発電ユニット２にガスを供給するガス流路Ｇが形成される。

また、図１に示すように、多孔質金属支持体１とセパレータ３は、そのフレーム部に多孔質金属支持体１及びセパレータ３を積層方向に連通するマニホールド部Ｈ１〜Ｈ４を有する。

多孔質金属支持体１のマニホールド部Ｈ１〜Ｈ４の周縁部の適当な箇所には、面方向に開口する開口部１４を有し、上記フレーム領域と上記発電領域との間でガスが流通する。

図１中楕円で示す開口部１４の拡大図を図２に示す。
多孔質金属支持体１の開口部１４、すなわち、マニホールド部Ｈと発電部との間に、凹部１５を複数設けることで、流通するガスを整流することができる。

上記多孔質金属支持体１及び上記セパレータ３は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する略長方形状であり、発電ユニット２を支持する多孔質金属支持体１とセパレータ３とを重ね合わせ、フレーム部の外周を溶接することで燃料電池単セルＣを構成する。

上記燃料電池単セルＣを複数積層した状態では、一の燃料電池単セルのセパレータ３のフレーム部と、隣接する燃料電池単セルのフレーム部の縁部同士の間や、マニホールド部Ｈ１〜Ｈ４の周囲にシール層４が設けられる。

図１中のＡ−Ａ’で切ったときの断面図を図３に示す。
図３中、２１はアノード極、２２は固体電解質層、２３はカソード極、２は発電ユニット、１は多孔質金属支持体、３はセパレータ、４はシール層である。

上記燃料電池単セルＣは、図３に示すように、上記多孔質金属支持体１の一方の面に上記発電ユニット２が形成され、他方の面に上記セパレータ３が配置されて、上記発電ユニット２または上記多孔質金属支持体１と上記セパレータ３との間にガス流路Ｇが形成される。

そして、上記シール層４は、上記フレーム領域Ｆにおいて燃料電池スタック外部へのガス漏れを防止すると共に、隣接する燃料電池単セルとの短絡を防止する。

ここで、上記燃料電池単セルを構成する部材について説明する。

（固体酸化物層）
また、上記発電ユニット２の固体電解質層２２としては、例えば、Ｙ_２Ｏ_３やＳｃ_２Ｏ_３を添加した安定化ジルコニアや、Ｓｍ_２Ｏ_３やＧｄ_２Ｏ_３などを添加したＣｅＯ_２、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇｄ，Ｍｇ）Ｏ_３などのペロブスカイト構造を有するランタンガレートなどが使用できる。

（アノード極）
上記アノード極２１としては、例えば、Ｎｉと安定化ジルコニアのサーメットや、Ｓｍ_２Ｏ_３やＧｄ_２Ｏ_３などを添加したＣｅＯ_２などが使用できる。

（カソード極）
上記カソード極２３としては、例えば、（Ｌｓ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３や（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３などのペロブスカイト構造を有する酸化物電極などが使用できる。

上記発電ユニット２は、上記多孔質金属支持体１の一方の面に形成できる。発電ユニット２の形成方法は、乾式法、湿式法のいずれであってもよい。

乾式法としては、例えば、直流加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、反応性イオンビーム蒸着法、２極スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、反応性スパッタ法、３極スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、ホローカソードビーム法、イオンビーム注入法又はプラズマＣＶＤ法、及びこれらの方法を任意に組み合わせた方法を挙げることができる。

また、湿式方法として、インクジェット、ディスペンサ、ロールコータ又はスクリーン印刷、及びこれらを任意に組み合わせた方法を挙げることができ、スラリー材料やペースト材料などを用いて成膜をすることで形成できる。

（セパレータ）
上記セパレータ３は、例えば、ステンレス鋼や、ニッケル（Ｎｉ）又はクロム（Ｃｒ）を主成分とする合金などの金属製の平板をプレス加工することで形成できる。

（シール層）
上記シール層４を構成する材料としては、ＳＯＦＣの動作温度に耐えることができ、絶縁性を有するものであれば特に制限はなく、例えば、ガラスやセラミックス等の無機酸化物の他、上記発電ユニットに用いる固体酸化物を挙げることができる。

上記シール層４は、上記シール層の材料粉末をそのまま焼結したり、有機バインダや有機機溶媒等と混合してインク状・ペースト状のシール材とし印刷して成型することや、シート状又は板状に形成し所望の形状に打ち抜いて成型し焼結することで形成できる。

本発明の燃料電池単セルＣは、上記多孔質金属支持体１の厚さが発電部よりもフレーム部が厚く、かつ、上記多孔質金属支持体１の空隙率が発電部よりもフレーム部が小さいものである。

多孔質金属支持体１のフレーム部が厚いことでフレーム部の空間が積層方向に狭くなり、シール層４を薄くしてシール層４の寸法変化を小さくすることができ、温度変化が激しい使用状況においても燃料電池スタックＦＣ外部へのガス漏れを防止することができる。

上記シール層４の厚さは、上記多孔質金属支持体１のフレーム部の封止箇所の厚さよりも薄いことが好ましい。
シール層４を構成するガラスやセラミックス等は、形成時及び形成後の形態安定性が金属材料に比して低く、寸法変化が大きいものであるため、シール層４の厚さを薄くすることで公差を小さくできる。

（多孔質金属支持体）
上記多孔質金属支持体は、発電ユニットをそのアノード極側から支持するものである。

上記多孔質金属支持体１としては、金属粒子をプレス成形したものを使用できる。
上記金属粒子１１としては、例えば、ステンレス鋼、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロムを含む合金などの金属粒子を挙げることができる。

図４は多孔質金属支持体の発電部の断面図であり、図５は多孔質金属支持体のフレーム部の断面図である。図４、図５中の丸は金属粒子１１であり、矢印はガスの流れを表す。

多孔質金属支持体１のフレーム部の空隙率が発電部よりも小さいことで、発電部においては、図４中の矢印で示すように、金属粒子間の空隙によりガスの流通が確保され、ガス透過性を有する。

一方、フレーム部においては、図５中の矢印で示すように、多孔質金属支持体内部のガス流通経路が金属粒子１１によって分断され、上記フレーム部が厚いことと相俟って、ガス遮蔽性を有し、燃料電池スタック内部または外部へのリークを防止できる。

多孔質金属支持体１のフレーム部の空隙率は、ガスが透過しなければ特に制限はないが、具体的には、フレーム部の厚さにもよるが０％＜空隙率≦１０％であることが好ましい。空隙率が１０％以下であることでガスの流通経路を分断でき、ガスの透過を防止できる。

多孔質金属支持体１のフレーム部の厚さは、発電ユニット２の厚さ等にもよるが発電部の厚さの１．５倍以上であることが好ましく、２倍〜３倍であることが好ましい。

多孔質金属支持体１の空隙率の測定は、多孔質金属支持体１の任意の断面を撮影し、撮影画像をコントラストのよって２値化処理し、金属粒子１１と空隙を区別して単位面積当たりの空隙が占める面積割合を求めることで行うことができる。

また、上記多孔質金属支持体１は、発電部からフレーム部にかけて空隙率が連続して変化するものであることが好ましい。

空隙率が発電部からフレーム部にかけて連続して変化する多孔質金属支持体１は、発電部とフレーム部とを一体成型することで作製できる。

上記多孔質金属支持体１は、金属粉末等をプレス成形により作製することができ、発電部からフレーム部まで一体成型することで、サポート部材（発電部）とフレーム部材との接合工程を省くことができる。
さらに、接合時の加熱等によるサポート部材及びフレーム部材の反りの発生や、接合部からのガス漏れが防止されて信頼性が向上する。

上記多孔質金属支持体の作製方法について説明する。
上記多孔質金属支持体１は、まず、多孔質金属支持体１のフレーム部となる領域が、図６中点線で示すように所望の厚さよりも厚く、発電部となる領域が所望の厚さを有する空隙率が均一な多孔質体をプレス成型する。
上記多孔質体のフレーム部となる領域の厚さは、上記多孔質金属支持体１のフレーム部の厚さと空隙率から適宜設定する。

そして、上記多孔質体のフレーム部となる領域のみに圧力をかけてプレス成型し、所望の厚さまで圧縮して空隙率を小さくすることで、発電部よりもフレーム部の厚さが厚く、かつ、発電部よりもフレーム部の空隙率が小さい多孔質金属支持体１を成型できる。

また、上記多孔質金属支持体１は、図７に示すように、フレーム部の多孔質金属支持体１を厚さ方向に二分する線（Ｆ／２）が、上記発電部の多孔質金属支持体１を厚さ方向に二分する線（Ａ／２）よりも、発電ユニット２を積層した側とは反対側、すなわちセパレータ３側に存在することが好ましい。
さらには、発電ユニット２を積層した側の面が、発電部からフレーム部にかけて平坦であることが好ましい。

多孔質金属支持体１が、発電ユニット２を積層した側への突出が小さいことや、突出がなく発電部からフレーム部にかけて平坦であることで、アノード極２１と接合する多孔質金属支持体１とカソード極２３との接触を防止できる。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを説明するものであり、図１中のＡ−Ａ’で切ったときの断面図である。
なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池スタックＦＣは、発電ユニット２の固体電解質層２２が発電領域から連続してフレーム領域にまで延伸し、発電領域の発電ユニット２から連続する固体電解質層２２が多孔質金属支持体１のフレーム部に直接接合したものである。

固体電解質層２２が多孔質金属支持体１のフレーム部に直接接合することで、多孔質金属支持体１と接合する発電ユニット２のアノード極が、上記固体電解質層２２によって覆われ、カソード極との短絡を防止できると共に、隣接する燃料電池単セルと短絡することを防止できる。

さらに、多孔質金属支持体１と接合する発電ユニット２のアノード極の端部が固体電解質層２２で覆われるため、多孔質金属支持体１と接合する上記電極の端部を介して燃料ガスと酸素含有ガスが混合することを防止できる。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを説明するものであり、図１中のＡ−Ａ’で切ったときの断面図である。
なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池スタックは、上記多孔質金属支持体１がフレーム部にシール溝１２を有するものである。

上記多孔質金属支持体１のフレーム部にシール溝１２を設け、該シール溝１２にガラスやセラミックス等の無機シール材を備えることで、無機シール材の成形が容易になり、隣接する燃料電池単セルとの接合性が向上し、燃料電池スタック外部へのガス漏れを防止できる。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを説明するものであり、図１中のＡ−Ａ’で切ったときの断面図である。
なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池スタックＦＣは、フレーム部の多孔質金属支持体１がセパレータ３よりも長く、多孔質金属支持体１が外側に張り出した形状を有し、かつ該多孔質金属支持体１のフレーム部端面に絶縁体１３を備えるものである。

外側に張り出した多孔質金属支持体１の端面に絶縁体１３を備えることで、燃料電池スタック外部との絶縁性を高めることができる。

（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを説明するものであり、図１中のＡ−Ａ’で切ったときの断面図である。
なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池スタックＦＣは、固体電解質がシール層４を構成するものである。
具体的には、固体電解質層２２が発電ユニット２の発電領域Ａから連続してフレーム領域Ｆにまで延伸し、該発電ユニット２から連続する固体電解質層２２が多孔質金属支持体１のフレーム部に直接接合する共に、隣接する燃料電池単セルのセパレータと接合したものである。

固体電解質層２２が多孔質金属支持体１のフレーム部に直接接合すると共に、隣接する燃料電池単セルのセパレータと接合することで、多孔質金属支持体１と接合する発電ユニット２のアノード極が固体電解質層２２によって覆われ、アノード極とカソード極との短絡を防止できる。

加えて、隣接する燃料電池単セルとの短絡を防止すると共に、燃料電池スタック外部へのガス漏れを防止することができる。

１多孔質金属支持体
１１金属粒子
１２シール溝
１３絶縁体
１４開口部
１５凹部
２発電ユニット
２１アノード極
２２固体酸化物層
２３カソード極
３セパレータ
４シール層
ＦＣ燃料電池スタック
Ｃ燃料電池単セル
Ｆフレーム領域
Ａ発電領域
Ｇガス流路
Ｈマニホールド部

Claims

燃料電池単セルを複数積層した燃料電池スタックであって、
上記燃料電池単セルが、
固体電解質層の一方の面にアノード極を有し、他方の面にカソード極を有する発電ユニットと、
上記発電ユニットのアノード極側に配置されるセパレータと、
上記発電ユニットのアノード極と上記セパレータの間で、上記発電ユニットを支持する多孔質金属支持体と、
上記多孔質金属支持体の上記発電ユニットを支持する側で、上記多孔質金属支持体の外周に配置されるシール層と、を備えるものであり、
上記多孔質金属支持体が、
上記発電ユニットに接する発電部と上記発電部の外周にフレーム部とを有し、
上記フレーム部の厚さが上記発電部よりも厚く、かつ、上記フレーム部の空隙率が上記発電部よりも小さいものであり、
上記セパレータ、上記フレーム部および上記シール層により外周を封止したものであることを特徴とする燃料電池スタック。
上記シール層の厚さが、上記多孔質金属支持体のフレーム部の封止箇所の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
上記多孔質金属支持体の空隙率が、発電部からフレーム部にかけて連続して変化するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
上記多孔質金属支持体のフレーム部の空隙率が、０％＜空隙率≦１０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
上記フレーム部の多孔質金属支持体を厚さ方向に二分する線が、上記発電部の多孔質金属支持体を厚さ方向に二分する線よりも、発電ユニットを積層した側とは反対側に存在することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
上記多孔質金属支持体の発電ユニットを積層した側の面が、発電部からフレーム部にかけて平坦であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
上記多孔質金属支持体のフレーム部に、上記発電ユニットから連続する固体電解質が接合したものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
上記多孔質金属支持体がフレーム部に封止箇所にシール溝を有し、
上記シール溝にシール層を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
上記シール層が、固体電解質を含むものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
多孔質金属支持体のフレーム部が、セパレータのフレーム部よりも長く、多孔質金属支持体が外側に張り出し、かつ該多孔質金属支持体のフレーム部の端面に絶縁体を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。
上記フレーム部に上記多孔質金属支持体及び上記セパレータを厚さ方向に連通するマニホールドを備え、
上記の多孔質金属支持体が、上記マニホールドと上記発電部との間のフレーム部に凹部を有するものであり、
上記凹部が、上記マニホールドと上記発電部との間を流通するガスを整流するものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック。