以下、添付した図面を参照しながら、本発明の第1〜第3実施形態を説明する。図面において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面において、各部材の大きさや比率は、実施形態の理解を容易にするために誇張し、実際の大きさや比率とは異なる場合がある。
各図において、X、Y、およびZで表す矢印を用いて、燃料電池スタックを構成する部材の方位を示している。Xによって表す矢印の方向は、燃料電池スタックの短手方向Xを示している。Yによって表す矢印の方向は、燃料電池スタックの長手方向Yを示している。Zによって表す矢印の方向は、燃料電池スタックの積層方向Zを示している。
(実施形態)
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、実施形態の燃料電池スタック100を示す斜視図である。図2は、図1の燃料電池スタック100から上部エンドプレート110、上部集電板108、複数のセルモジュール100Qを積層して構成したスタック100P、下部集電板107、下部エンドプレート109および外部マニホールド111に分解した状態を示す斜視図である。図3は、図2のセルモジュール100Qを分解して示す斜視図である。図4は、図3のユニット100Rを分解して示す斜視図である。図5Aは、図4のメタルサポートセルアッセンブリー101を分解して示す斜視図である。図5Bは、図4のメタルサポートセルアッセンブリー101を断面で示す側面図である。
図6は、集電補助層103(下方の構造を表示するために一部を切り欠いている)とセパレータ102およびメタルサポートセルアッセンブリー101等を積層した状態で部分的に示す斜視図である。図7は、図6における発電エリア(領域7)を断面で示し、かつ、メタルサポートセルアッセンブリー101を破線で付加して断面で示す側面図である。図9は、セパレータ102と集電補助層103の一部を模式的に示す上面図である。
燃料電池スタック100は、図1において、各々の構成部材を締結して一体にする締結部材(ボルト)、および各々の構成部材を被覆して保護する保護部材(カバー)の図示を省略している。
燃料電池スタック100は、図1および図2に示すように、下部集電板107および上部集電板108によって挟み込んだスタック100Pを、下部エンドプレート109および上部エンドプレート110によって挟み込んで保持して、その下端に外部からガスを供給する外部マニホールド111を配置して構成している。
燃料電池スタック100は、図2に示すように、複数のセルモジュール100Qを積層して構成したスタック100Pを、ユニット100Rで発電された電力を外部に出力する下部集電板107と上部集電板108によって挟み込んで集電可能としている。
燃料電池スタック100は、図4に示すユニット100Rを積層して、図3に示すように上端と下端に位置する封止部104を介してエンドプレートに相当するモジュールエンド105を配置して、図3に示すセルモジュール100Qを構成している。
燃料電池スタック100は、図4に示すユニット100Rにガスを供給して発電を行う。図4に示すユニット100Rは、供給されたガスによって発電する発電セル101Mを設けたメタルサポートセルアッセンブリー101、隣り合う発電セル101Mを隔てるセパレータ102、発電セル101Mとセパレータ102との間にガスを通す空間を形成しつつ電気的接触を維持する集電補助層103、およびメタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限する封止部104を含んでいる。
以下、燃料電池スタック100を構成毎に説明する。
メタルサポートセルアッセンブリー101は、図4、図5Aおよび図5Bに示すように、外部から供給されたガスによって発電するものである。
メタルサポートセルアッセンブリー101は、図4、図5Aおよび図5Bに示すように、電解質101Sをアノード101Tとカソード101Uとで挟んでなり供給されたアノードガスAGおよびカソードガスCGによって発電する発電セル101Mと、発電セル101Mを囲って保持するセルフレーム101Wと、を含む。
メタルサポートセルアッセンブリー101において、発電セル101Mは、図5Aおよび図5Bに示すように、電解質101Sをアノード101Tとカソード101Uで挟み込んで構成している。メタルサポートセル101Nは、発電セル101Mと、発電セル101Mを一方から支持するサポートメタル101Vによって構成している。メタルサポートセルアッセンブリー101は、メタルサポートセル101Nと、メタルサポートセル101Nを周囲から保持するセルフレーム101Wによって構成している。
アノード101Tは、図5Aおよび図5Bに示すように、燃料極であって、アノードガスAG(例えば水素)と酸化物イオンを反応させて、アノードガスAGの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード101Tは、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスAGを透過させ、電気伝導度が高く、アノードガスAGを酸化物イオンと反応させる触媒作用を有する。アノード101Tは、電解質101Sよりも大きい長方体形状から形成されている。アノード101Tは、例えば、ニッケル等の金属、イットリア安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体を混在させた合金からなる。アノード101Tは、図5Aおよび図5Bに示すように、薄板状であって長方形状からなる。
電解質101Sは、図5Aおよび図5Bに示すように、カソード101Uからアノード101Tに向かって酸化物イオンを透過させるものである。電解質101Sは、酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。電解質101Sは、長方体形状から形成されている。電解質101Sは、例えば、イットリア、酸化ネオジム、サマリア、ガドリア、スカンジア等を固溶した安定化ジルコニアなどの固体酸化物セラミックスからなる。電解質101Sは、図5Aおよび図5Bに示すように、薄板状であって、アノード101Tよりも若干大きい長方形状からなる。電解質101Sの外縁は、図10に示すように、アノード101Tの側に向かって屈折して、アノード101Tの積層方向Zに沿った側面に接触している。電解質101Sの外縁の先端は、サポートメタル101Vに接触している。
カソード101Uは、図5Aおよび図5Bに示すように、酸化剤極であって、カソードガスCG(例えば空気に含まれる酸素)と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード101Uは、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスCGを透過させ、電気伝導度が高く、酸素分子を酸化物イオンに変換する触媒作用を有する。カソード101Uは、電解質101Sよりも小さい長方体形状から形成されている。カソード101Uは、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等の酸化物からなる。カソード101Uは、図5Aおよび図5Bに示すように、アノード101Tと同様に、薄板状であって長方形状からなる。カソード101Uは、電解質101Sを介して、アノード101Tと対向している。電解質101Sの外縁がアノード101T側に屈折していることから、カソード101Uの外縁は、アノード101Tの外縁と接触することがない。
サポートメタル101V(支持部材)は、図5Aおよび図5Bに示すように、発電セル101Mに積層し、導電性を備えた多孔質からなり発電セル101Mを支持するものである。サポートメタル101Vは、図7に示すように、接合部U1等によって、セパレータ102の流路部102Lと接合している。接合部U1等は、サポートメタル101Vとセパレータ102の流路部102Lと溶接することによって形成している。サポートメタル101Vは、ガス透過性を有し、電気伝導度が高く、十分な強度を有する。サポートメタル101Vは、電解質101Sよりも大きい長方体形状から形成されている。サポートメタル101Vは、例えば、ニッケルやクロムを含有する耐食合金や耐食鋼、ステンレス鋼からなる。サポートメタル101Vの熱膨張率は、セパレータ102の熱膨張率以上である。熱膨張率は、例えば、線膨張係数によって規定されるものである。
セルフレーム101Wは、図4、図5Aおよび図5Bに示すように、メタルサポートセル101Nを周囲から保持するものである。セルフレーム101Wは、長方形状から形成している。セルフレーム101Wは、発電セル101Mを取り付ける開口部101eを中央に設けている。セルフレーム101Wの開口部101eは、長方形状の貫通口からなり、サポートメタル101Vの外形よりも若干小さい。セルフレーム101Wは、金属からなり、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セルフレーム101Wに酸化アルミニウムを固着させて構成する。セルフレーム101Wの開口部101eの内縁に、サポートメタル101Vの外縁を接合することによって、セルフレーム101Wにメタルサポートセル101Nを取り付ける。
セルフレーム101Wは、図4、図5Aおよび図5Bに示すように、開口部101eを隔てた対角線上に、アノードガスAGを流路部102Lに流入させるアノード側流入口101aと、アノードガスAGを流路部102Lから流出させるアノード側流出口101bを設けている。同様に、セルフレーム101Wは、開口部101eを隔てた対角線上に、カソードガスCGを流路部102Lに流入させるカソード側流入口101cと、カソードガスCGを流路部102Lから流出させるカソード側流出口101dを設けている。アノード側流入口101aとカソード側流入口101cは、セルフレーム101Wの短手方向Xに沿って対向している。同様に、アノード側流出口101bとカソード側流出口101dは、セルフレーム101Wの短手方向Xに沿って対向している。アノード側流入口101aおよびカソード側流入口101cは、カソード側流出口101dおよびアノード側流出口101bと、開口部101eを隔てて長手方向Yに沿って対向している。アノード側流入口101a、アノード側流出口101b、カソード側流入口101cおよびカソード側流出口101dは、それぞれ矩形状の開口からなるマニホールドである。
セパレータ102は、図7、図8Aおよび図8Bに示すように、発電セル101Mと発電セル101Mとの間に積層し、隣り合う発電セル101Mを隔ててガスを流す流路部102Lを備えた。
セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と対向して配置している。セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と同様の外形形状からなる。セパレータ102は、例えばステンレス鋼材(一例としてSUS430)のような金属からなり、発電セル101Mと対向する領域(流路部102L)を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、セパレータ102に酸化アルミニウムを固着させて構成する。セパレータ102(流路部102Lを含む)の熱膨張率は、集電補助層103の熱膨張率よりも大きい。
セパレータ102は、流路部102Lを発電セル101Mと対向するように設けている。流路部102Lは、図6〜図8Bに示すように、ガスの流れの方向(長手方向Y)に沿って延ばした流路を、ガスの流れの方向(長手方向Y)と直交する方向(短手方向X)に並べることによって形成している。流路部102Lは、図7に示すように、長手方向Yおよび短手方向Xの面内において平坦な平坦部102hから下方に突出するように、凸状のアノード側突起102iを一定の間隔で設けている。アノード側突起102iは、ガスの流れの方向(長手方向Y)に沿って延びている。アノード側突起102iは、セパレータ102の下端から下方に向かって若干突出している。流路部102Lは、図7に示すように、平坦部102hから上方に突出するように、凸状のカソード側突起102jを一定の間隔で設けている。カソード側突起102jは、ガスの流れの方向(長手方向Y)に沿って延びている。カソード側突起102jは、セパレータ102の上端から上方に向かって若干突出している。流路部102Lは、アノード側突起102iと凸状のカソード側突起102jを、平坦部102hを隔てて、短手方向Xに沿って交互に設けている。
セパレータ102は、図7に示すように、流路部102Lと、図7の右側に位置するメタルサポートセル101N(実線)との隙間を、アノードガスAGの流路として構成している。セパレータ102は、図7に示すように、流路部102Lと、図7中の左側に位置するメタルサポートセル101N(破線)との隙間を、カソードガスCGの流路として構成している。
セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側流入口102aおよびアノード側流出口102bを、流路部102Lを隔てた対角線上に設けている。セパレータ102は、メタルサポートセルアッセンブリー101と積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側流入口102cおよびカソード側流出口102dを、流路部102Lを隔てた対角線上に設けている。
集電補助層103は、図6〜図9に示すように、流路部102Lに積層し、流路部102Lと面接触するものである。
集電補助層103は、発電セル101Mとセパレータ102との間にガスを通す空間を形成しつつ電気的接触を維持する。集電補助層103は、いわゆる、エキスパンドメタルである。集電補助層103は、メタルサポートセルアッセンブリー101のメタルサポートセル101Nと、セパレータ102の流路部102Lとの間に配置している。集電補助層103は、発電セル101Mと同様の外形形状からなる。集電補助層103は、図6および図9に示すように、菱形等の開口を格子状に設けた金網状からなる。集電補助層103は、積層方向Zと交差する方向(長手方向Yおよび短手方向X)に沿って格子状に伸ばした支持部103aと隣り合う支持部103aの間において積層方向Zに沿って貫通した開口部103bとを備えている。各々の支持部103aは、菱形形状に形成され、図9に示すように、菱形形状の対角線に沿った方向(図9のSW)をガスが流れる方向(長手方向Y)に沿わせている。集電補助層103は、セパレータ102を構成するステンレス鋼材(一例としてSUS430)よりも線膨張係数が小さい、例えばステンレス鋼材(一例としてSUS444)のような金属からなる。
変位規制手段は、図6〜図8Bに示すように、セパレータ102の流路部102Lと集電補助層103との間に積層方向Zと交差する方向(長手方向Yまたは短手方向X)に沿って張力を付与する。
変位規制手段は、集電補助層103と、集電補助層103よりも加熱された場合の変形量が大きいセパレータ102の流路部102Lと、を2箇所以上で接合して構成している。具体的には、変位規制手段は、図6〜図8Bに示すように、接合部T1、T2およびT3等によって構成している。変位規制手段は、積層方向Zと交差する方向(長手方向Yまたは短手方向X)において、流路部102Lと集電補助層103とをガスの流れる方向(長手方向Y)に沿うようにして、2箇所以上で接合して構成している。接合部T1、T2およびT3等は、集電補助層103とセパレータ102の流路部102Lと溶接することによって形成している。接合部T1、T2およびT3等の間隔や大きさは、適宜設定する。
変位規制手段を設けることによって、集電補助層103は、加熱された場合に膨張(伸長)するが、相対的に大きく膨張(伸長)するセパレータ102によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、集電補助層103は、加熱されても、たわまない。具体的には、図8Aに示すように、加熱前(発電前、常温の状態)において集電補助層103がたわんでいた場合、図8Bに示すように、加熱後(発電時、高温の状態)において相対的に大きく伸長するセパレータ102によって集電補助層103が引っ張られて真っ直ぐ伸長する。その結果、集電補助層103は、適度な張力が付与される。
変位規制手段を設けることによって、加熱前(発電前、常温の状態)において集電補助層103がたわんでいない場合(不図示)でも、加熱後(発電時、高温の状態)において相対的に大きく伸長するセパレータ102によって集電補助層103が引っ張られて伸長する。その結果、集電補助層103は、適度な張力が付与される。
変位規制手段を設けることによって、加熱前(発電前、常温の状態)において集電補助層103に内側(中央)に向かって収縮するような弾性力が発生している場合(不図示)でも、加熱後(発電時、高温の状態)において相対的に大きく伸長するセパレータ102によって集電補助層103が外側に引っ張られて伸長する。その結果、集電補助層103は、適度な張力が付与される。
封止部104は、図4に示すように、メタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102との隙間を部分的に封止してガスの流れを制限するものである。
特に、シール部材(例えばアノード側外縁シール部材104Aおよびカソード側外縁シール部材104C)は、メタルサポートセルアッセンブリー101の縁とセパレータ102の縁との間に設け、発電セル101Mに供給されるガス(カソードガスCGおよびアノードガスAG)をメタルサポートセルアッセンブリー101とセパレータ102との間に留めるものである。
封止部104は、図4に示すように、セパレータ102の下面(図4のセパレータ102の下側であって、アノード側に臨む面)に、セパレータ102の外縁を環状に封止するアノード側外縁シール部材104Aと、アノード側外縁シール部材104Aよりも内側においてカソード側流入口102cおよびカソード側流出口102dを避けてセパレータ102を環状に封止するアノード側マニホールドシール部材104Bを設けている。アノード側外縁シール部材104Aと、アノード側マニホールドシール部材104Bの間に、カソード側流入口102cおよびカソード側流出口102dが位置する。
封止部104は、図4に示すように、セパレータ102の上面(図4のセパレータ102の上側であって、カソード側に臨む面)に、セパレータ102の外縁を環状に封止するカソード側外縁シール部材104Cと、アノード側流入口102aおよびアノード側流出口102bを環状に封止する一対のカソード側マニホールドシール部材104Dを設けている。封止部104を構成するシール部材は、スペーサーとシールの機能を備え、いわゆるガスケットである。封止部104を構成するシール部材は、例えば、耐熱性およびシール性を有するガラスからなる。
封止部104は、アノード側外縁シール部材104Aおよびアノード側マニホールドシール部材104Bを用いて、アノードガスAGの流れを制限する。すなわち、封止部104は、図4に示すように、アノードガスAGを、発電セル101Mのカソード101Uや外部に漏洩させることなく、発電セル101Mのアノード101Tに流入させる。アノードガスAGは、外部マニホールド111、下部エンドプレート109、下部集電板107、モジュールエンド105、セパレータ102、およびメタルサポートセルアッセンブリー101の各々のアノード側の流入口を通過して、複数の発電セル101Mのアノード101Tに供給される。すなわち、アノードガスAGは、外部マニホールド111から終端の上部集電板108に至るまで、交互に積層されたセパレータ102とメタルサポートセルアッセンブリー101との隙間に設けられたアノード側の流路に分配して供給される。その後、アノードガスAGは、発電セル101Mで反応し、上記の各構成部材の各々のアノード側の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。
封止部104は、カソード側外縁シール部材104Cおよび一対のカソード側マニホールドシール部材104Dを用いて、カソードガスCGの流れを制限する。すなわち、封止部104は、図4に示すように、カソードガスCGを、発電セル101Mのアノード101Tや外部に漏洩させることなく、発電セル101Mのカソード101Uに流入させる。カソードガスCGは、外部マニホールド111、下部エンドプレート109、下部集電板107、モジュールエンド105、セパレータ102、およびメタルサポートセルアッセンブリー101の各々のカソード側の流入口を通過して、複数の発電セル101Mのカソード101Uに供給される。すなわち、カソードガスCGは、外部マニホールド111から終端の上部集電板108に至るまで、交互に積層されたセパレータ102とメタルサポートセルアッセンブリー101との隙間に設けられたカソード側の流路に分配して供給される。その後、カソードガスCGは、発電セル101Mで反応し、上記の各構成部材の各々のカソード側の流出口を通過して排ガスの状態で排出される。
封止部104は、図4に示すように、2重シールの構造を備えている。すなわち、図4に示すように、アノード側マニホールドシール部材104Bによって囲われた領域にアノードガスAGを流通させつつ、アノード側マニホールドシール部材104Bとアノード側外縁シール部材104Aの間の領域にカソードガスCGを流通させている。また、図4に示すように、一対のカソード側マニホールドシール部材104Dによって囲われた領域にそれぞれアノードガスAGを流通させつつ、一対のカソード側マニホールドシール部材104Dとカソード側外縁シール部材104Cの間の領域にカソードガスCGを流通させている。このように、アノード側およびカソード側ともに、アノードガスAGが存在する領域を囲むようにして、カソードガスCGが存在する領域を設けている。
モジュールエンド105は、図3に示すように、複数積層したユニット100Rの上端および下端を保持するエンドプレートである。
モジュールエンド105は、複数積層したユニット100Rの上端および下端に配置している。モジュールエンド105は、ユニット100Rと同様の外形形状からなる。モジュールエンド105は、ガスを透過させない導電性材料からなり、発電セル101Mと対向する領域を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、モジュールエンド105に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
モジュールエンド105は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側流入口105aおよびアノード側流出口105bを対角線上に設けている。モジュールエンド105は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側流入口105cおよびカソード側流出口105dを対角線上に設けている。
マニホールドシール部材106は、図2に示すように、積層部材の間において、いわゆるマニホールド穴の外縁を封止してガスの漏洩を防止するものある。
マニホールドシール部材106は、アノード側マニホールドシール部材104Bおよびカソード側マニホールドシール部材104Dと同様の構成からなる。マニホールドシール部材106は、上部集電板108と最上部のセルモジュール100Qとの間、積層方向Zに沿って隣り合うセルモジュール100Qの間、最下部のセルモジュール100Qと下部集電板107との間、下部集電板107と下部エンドプレート109との間、下部エンドプレート109と外部マニホールド111との間において、ガスの流入口と流出口の外縁を環状に封止するように配置している。マニホールドシール部材106は、例えば、耐熱性およびシール性を有するガラスからなる。
下部集電板107は、図1および図2に示し、ユニット100Rで発電された電力を外部に出力するものである。
下部集電板107は、スタック100Pの下端に配置している。下部集電板107は、ユニット100Rと同様の外形形状からなる。下部集電板107は、外部の通電部材と接続される端子107fを設けている。端子107fは、下部集電板107の外縁を部分的に長手方向Yに突出させて形成している。下部集電板107は、ガスを透過させない導電性材料からなり、ユニット100Rの発電セル101Mと対向する領域および端子107fの部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、下部集電板107に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
下部集電板107は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側流入口107aおよびアノード側流出口107bを対角線上に設けている。下部集電板107は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側流入口107cおよびカソード側流出口107dを対角線上に設けている。
上部集電板108は、図1および図2に示し、ユニット100Rで発電された電力を外部に出力するものである。
上部集電板108は、スタック100Pの上端に配置している。上部集電板108は、下部集電板107と同様の外形形状からなる。上部集電板108は、外部の通電部材と接続される端子108fを設けている。端子108fは、上部集電板108の外縁を部分的に長手方向Yに突出させて形成している。上部集電板108は、下部集電板107と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部集電板108は、ガスを透過させない導電性材料からなり、ユニット100Rの発電セル101Mと対向する領域および端子108fの部分を除いて、絶縁材またはコーティングを用いて絶縁している。絶縁材は、例えば、上部集電板108に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
下部エンドプレート109は、図1および図2に示すように、下部集電板107および上部集電板108によって挟み込まれたスタック100Pを下方から保持するものである。
下部エンドプレート109は、下部集電板107の下方に配置している。下部エンドプレート109は、ユニット100Rと同様の外形形状からなる。下部エンドプレート109は、ユニット100Rよりも十分に厚く形成している。下部エンドプレート109は、例えば、金属からなり、下部集電板107と接触する上面を、絶縁材によって絶縁している。絶縁材は、例えば、下部エンドプレート109に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
下部エンドプレート109は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側流入口109aおよびアノード側流出口109bを対角線上に設けている。下部エンドプレート109は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソードガスCGを通過させるカソード側流入口109cおよびカソード側流出口109dを対角線上に設けている。
上部エンドプレート110は、図1および図2に示すように、下部集電板107および上部集電板108によって挟み込まれたスタック100Pを上方から保持するものである。
上部エンドプレート110は、上部集電板108の上方に配置している。上部エンドプレート110は、下部エンドプレート109と同様の外形形状からなる。上部エンドプレート110は、下部エンドプレート109と異なり、ガスの流入口および排出口を設けていない。上部エンドプレート110は、例えば、金属からなり、上部集電板108と接触する下面を、絶縁材によって絶縁している。絶縁材は、例えば、上部エンドプレート110に酸化アルミニウムを固着させて構成する。
外部マニホールド111は、図1および図2に示し、外部から複数のユニット100Rにガスを供給するものである。
外部マニホールド111は、下部エンドプレート109の下方に配置している。外部マニホールド111は、ユニット100Rと同様の外形形状からなる。外部マニホールド111は、下部エンドプレート109よりも十分に厚く形成している。外部マニホールド111は、例えば、金属からなる。
外部マニホールド111は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、アノードガスAGを通過させるアノード側流入口111aおよびアノード側流出口111bを対角線上に設けている。外部マニホールド111は、ユニット100Rと積層方向Zに沿って相対的な位置が合うように、カソード側流入口111cおよびカソード側流出口111dを対角線上に設けている。
以上説明した実施形態の作用効果を説明する。
燃料電池スタック100のセル構造は、発電セル101Mと、セパレータ102と、集電補助層103と、変位規制手段と、を有する。発電セル101Mは、電解質101Sを燃料極(アノード101T)と酸化剤極(カソード101U)とで挟んでなり供給されたガス(アノードガスAGおよびカソードガスCG)によって発電する。セパレータ102は、発電セル101Mと発電セル101Mとの間に積層し、隣り合う発電セル101Mを隔ててガスを流す流路部102Lを備えた。集電補助層103は、流路部102Lに積層し、流路部102Lと面接触する。変位規制手段は、セパレータ102の熱膨張率を集電補助層103の熱膨張率より大きく設定し、集電補助層103を引張して集電補助層130のたわみを規制する。
燃料電池セルのたわみ規制方法は、発電セル101Mを挟持する一対のセパレータ102の一方に集電補助層103を積層し、積層した集電補助層103をセパレータ102に連結し、相互に連結された集電補助層103とセパレータ102との熱膨張率をセパレータ102側が大きくなるよう異なる値に設定し、熱膨張率差により加熱時にセパレータ102と集電補助層103との間で引張力を発生させる。
かかる燃料電池スタック100のセル構造および燃料電池セルのたわみ規制方法によれば、変位規制手段が集電補助層103を引張して集電補助層130のたわみを規制することから、熱膨張による部材の変位を規制して、たわみが生じることを防止できる。
燃料電池スタック100のセル構造において、発電セル101Mに積層し、導電性を備えた多孔質からなり発電セル101Mを支持する支持部材(サポートメタル101V)を、さらに有し、変位規制手段は、サポートメタル101Vとセパレータ102間の第1の固定部(接合部U1)と、セパレータ102と集電補助層103とを第1の固定部(接合部U1)に対して対称に少なくとも2箇所で固定する第2の固定部(接合部T1および接合部T2)で形成することが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、第1の固定部(接合部U1)と第2の固定部(接合部T1および接合部T2)が形成されていることによって、集電補助層103は、少なくとも加熱された場合、セパレータ102によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、発電セル101Mと集電補助層103との接触が回復(接触面積が増加)し、接触抵抗が低減される。
変位規制手段は、集電補助層103と、集電補助層103よりも加熱された場合の変形量が大きいセパレータ102と、を積層方向Zと交差する方向(長手方向Yまたは短手方向X)に沿って2箇所以上で接合して構成した。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図6〜図8Bに示すように、集電補助層103と、集電補助層103よりも加熱された場合の変形量が大きいセパレータ102と、を積層方向Zと交差する方向(長手方向Yまたは短手方向X)に沿って2箇所以上で接合している。すなわち、集電補助層103は、少なくとも加熱された場合、セパレータ102によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、加熱された集電補助層103がたわむことを防止できる。
特に、かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、集電補助層103は、少なくとも加熱された場合、セパレータ102によって引っ張られるようにして伸長することから、外部から振動が加わっても、たわむことを防止できる。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、例えば、自動車に搭載してタイヤを回転させるモータ等の電源として使用する場合、少なくとも加熱された状態の運転時において、道路を走行する自動車に入力される様々な周波数の振動に耐えることができる。
特に、かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、集電補助層103は、少なくとも加熱された場合、セパレータ102によって引っ張られるようにして伸長することから、たわむことを防止できる。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、少なくとも加熱された状態の運転時において、集電補助層103とセパレータ102の流路部102L、および集電補助層103と発電セル101Mを、それぞれ十分に接触させることによって(接触面積を増加させることによって)、電気的な接触抵抗を低減することができる。すなわち、燃料電池スタック100のセル構造は、所期の電気的特性を得ることができる。
燃料電池スタック100のセル構造において、変位規制手段は、流路部102Lと集電補助層103とを接合して構成することが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図6〜図8Bに示すように、集電補助層103を、面接触させる流路部102Lに対して直接接合している。すなわち、集電補助層103は、流路部102Lと共に、スムーズに伸長させることができる。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、集電補助層103を面接触させる流路部102Lと共に伸長させることによって、たわみを十分に防止できる。
燃料電池スタック100のセル構造において、変位規制手段は、流路部102Lと集電補助層103とをガスの流れる方向(長手方向Y)に沿って2箇所以上で接合して構成することが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図6に示すように、温調(加熱)されたガス(例えばカソードガスCG)によって温度勾配がかかる方向に沿って、集電補助層103を流路部102Lに接合している。すなわち、集電補助層103は、流路部102Lと共に、温度勾配のかかる方向に沿ってスムーズに伸長させることができる。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、集電補助層103を温度勾配のかかる方向に沿って伸長させることによって、たわみを十分に防止できる。
燃料電池スタック100のセル構造において、流路部102Lの熱膨張率は、集電補助層103の熱膨張率よりも大きいことが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図6〜図8Bに示すように、少なくとも加熱された場合に、集電補助層103が、相対的に熱膨張率が大きいセパレータ102によって引っ張られるようにして伸長する。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、加熱され伸長する集電補助層103をセパレータ102を用いてさらに伸長させることによって、たわみを十分に防止できる。
燃料電池スタック100のセル構造において、サポートメタル101Vは、流路部102Lと接合していることが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図6〜図8Bに示すように、流路部102Lをサポートメタル101Vによって固定することができる。すなわち、集電補助層103は、サポートメタル101Vによって固定された流路部102Lによって、位置ずれを防止できる。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、集電補助層103を流路部102Lによって位置決めすることによって、たわみを十分に防止できる。
燃料電池スタック100のセル構造において、サポートメタル101Vの熱膨張率は、セパレータ102の熱膨張率よりも大きいか等しいことが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図6〜図8Bに示すように、サポートメタル101Vの熱膨張率が、セパレータ102の熱膨張率よりも大きい場合、集電補助層103と接合しているセパレータ102は、加熱されると、サポートメタル101Vによって引っ張られて伸長する。集電補助層103と接合しているセパレータ102は、サポートメタル101Vによって伸長を阻害されることがない。一方、サポートメタル101Vの熱膨張率が、セパレータ102の熱膨張率と等ししい場合、集電補助層103と接合しているセパレータ102は、加熱されると、サポートメタル101Vと共に伸長しつつサポートメタル101Vによって支持される。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、サポートメタル101Vと共に伸長するセパレータ102によって、集電補助層103を伸長させて、たわみを十分に防止できる。
燃料電池スタック100のセル構造において、集電補助層103は、積層方向Zと交差する方向(長手方向Yおよび短手方向X)に沿って格子状に伸ばした支持部103aと隣り合う支持部103aの間において積層方向Zに沿って貫通した開口部103bとを備えている。各々の支持部103aは、菱形形状に形成され、菱形形状の対角線に沿った方向(図9のSW)をガスが流れる方向(長手方向Y)に沿わせることが好ましい。
かかる燃料電池スタック100のセル構造によれば、図9に示すように、集電補助層103は、温調(加熱)されたガス(例えばカソードガスCG)によって温度勾配がかかる方向に沿って、引張剛性を低く設定している。すなわち、集電補助層103が温度勾配のかかる方向に沿って伸長する場合、集電補助層103に過度な引張応力を生じさせることなくスムーズに変形(伸長)させることができる。したがって、燃料電池スタック100のセル構造は、集電補助層103を過度な引張応力を生じさせることなく変形させることによって、たわみを十分に防止できる。
(実施形態の変形例1〜3)
実施形態の変形例1〜3の燃料電池スタックは、図10〜図12に示し、集電補助層の構成や接合方法が、上述した実施形態の燃料電池スタック100のセル構造と相違する。
図10に、実施形態の変形例1のセパレータ102と集電補助層203、213および223を模式的に示す。
実施形態の変形例1の燃料電池スタックは、ガスの流れの上流側から下流側に向かって集電補助層203、213、223を並べて設けている。実施形態の変形例1では、上述した実施形態の集電補助層103を3つに分割して設け、各々の集電補助層203、213、223の熱膨張率を異ならせている。ここで、固体酸化物形燃料電池スタックのような燃料電池スタックは、ガスの流れの上流側から下流側に向かって、相対的に高温になる傾向がある。そこで、相対的に温度が高いガスの流れの下流側に位置する集電補助層223の熱膨張率を、相対的に温度が低いガスの流れの上流側に位置する他の集電補助層203の熱膨張率よりも大きく設定している。集電補助層223は、集電補助層203よりも線膨張係数が大きい材質を用いて形成している。集電補助層213は、集電補助層203と集電補助層223との中間に設け、集電補助層203と集電補助層223の平均となる熱膨張率に設定している。
図11に、実施形態の変形例2のセパレータ102と集電補助層103を模式的に示す。
実施形態の変形例2の燃料電池スタックは、変位規制手段において、相対的に温度が高いガスの流れの下流側に位置するセパレータ102と集電補助層103との接合部V6の面積を、相対的に温度が低いガスの流れの上流側に位置するセパレータ102と集電補助層103との接合部V1の面積よりも小さく構成している。接合部V1〜V6は、長手方向Yに沿った長さを段階的に短くすることによって構成している。接合部V1の長手方向Yに沿った長さが最も長く、接合部V6の長手方向Yに沿った長さが最も短い。
図12に、実施形態の変形例3の集電補助層303の一部を模式的に示す。
実施形態の変形例3の燃料電池スタックは、集電補助層303の支持部について、相対的に温度が高いガスの流れの下流側に位置する部分の積層方向Zに沿った断面積を、相対的に温度が低いガスの流れの上流側に位置する部分の積層方向Zに沿った断面積よりも小さく設定している。集電補助層303は、ガスの流れの上流側から下流側に向かって位置する支持部303a、303b、303cが、段階的に細くなるように構成している。
以上説明した実施形態の変形例1〜3の作用効果を説明する。
実施形態の変形例1の燃料電池スタックは、集電補助層(ガスの流れの上流側から下流側に向かって集電補助層203、213、223)を複数備えている。相対的に温度が高い部位に位置する一の集電補助層(例えば223)の熱膨張率は、相対的に温度が低い部位に位置する他の集電補助層(例えば集電補助層203)の熱膨張率よりも大きい。
かかる燃料電池スタックによれば、図10に示すように、発電セル101M等の温度分布に応じて複数の集電補助層203、213、223の熱膨張率を適切に設定することによって、各々の集電補助層203、213、223に適した張力を発生させることができる。集電補助層203、213、223は、加熱される温度に比例して、相対的に熱膨張率が高い仕様にする。すなわち、燃料電池スタックは、複数の集電補助層203、213、223の伸長とセパレータ102の伸長の差を温度分布によらず均等にさせる。したがって、燃料電池スタックは、温度分布によらず複数の集電補助層203、213、223を均等に伸長させて、過大な引張応力を生じさせることなく、たわみを十分に防止できる。
実施形態の変形例2の燃料電池スタックにおいて、変位規制手段は、相対的に温度が高い部位に位置するセパレータ102と集電補助層103との一の接合部(例えば接合部V6)の面積を、相対的に温度が低い部位に位置するセパレータ102と集電補助層103との他の接合部(例えば接合部V1)の面積よりも小さく構成している。
かかる燃料電池スタックによれば、図11に示すように、発電セル101M等の温度分布に応じて集電補助層103とセパレータ102との接合面積を設定することによって、集電補助層103の全体に均等な張力を発生させることができる。集電補助層103は、加熱される温度に比例して、接合部の接合面積を減らす。すなわち、相対的に温度が高い部位に位置する集電補助層103とセパレータ102との接合力を軽減して、集電補助層103がセパレータ102に過度に拘束されないように設定して、集電補助層103に過大な引張応力が発生することを防止する。したがって、燃料電池スタックは、集電補助層103の相対的に高温となる部位に過大な引張応力を生じさせることなく、たわみを十分に防止できる。
実施形態の変形例3の燃料電池スタックにおいて、集電補助層303は、積層方向Zと交差する方向(長手方向Yおよび短手方向X)に沿って格子状に伸ばした支持部(ガスの流れの上流側から下流側に向かって支持部303a、303b、303c)と隣り合う支持部の間において積層方向Zに沿って貫通した開口部(ガスの流れの上流側から下流側に向かって開口部303d、303e、303f)とを備えている。支持部は、相対的に温度が高い部位に位置する部分の積層方向Zに沿った断面積を、相対的に温度が低い部位に位置する部分の積層方向Zに沿った断面積よりも小さくしている。
かかる燃料電池スタックによれば、図12に示すように、発電セル101M等の温度分布に応じて集電補助層303の支持部303a、303b、303cの厚みを適切に設定することによって、集電補助層303の全体に均等な引張応力を発生させることができる。集電補助層303の支持部303a、303b、303cの厚みは、加熱される温度に比例して、細くする。すなわち、相対的に温度が高い部位に位置する集電補助層303の支持部303cの厚みを相対的に小さくすることによって、引張剛性を下げて伸長し易いようにして、支持部303cに過大な引張応力が発生することを防止する。したがって、燃料電池スタックは、集電補助層303の相対的に高温となる部位に過大な引張応力が生じさせることなく、たわみを十分に防止できる。
そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。
実施形態において、燃料電池スタック100は、固体酸化物形燃料電池(SOFC,Solid Oxide Fuel Cell)として説明したが、固体高分子膜形燃料電池(PEMFC、Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)、リン酸形燃料電池(PAFC、Phosphoric Acid Fuel Cell)または溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC、Molten Carbonate Fuel Cell)として構成してもよい。すなわち、燃料電池スタック100は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に加えて、固体高分子膜形燃料電池(PEMFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)または溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)に適用することができる。
燃料電池スタック100のセル構造は、実施形態の変形例1〜3の仕様を適宜組み合わせて構成してもよい。