WO2005013405A1

WO2005013405A1 - 燃料電池スタックおよび燃料電池システム並びに燃料電池スタックの製造方法

Info

Publication number: WO2005013405A1
Application number: PCT/JP2004/011015
Authority: WO
Inventors: Yutaka Tano; Kenji Kimura; Hiromichi Sato; Koichi Numata; Naoki Ito
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2005-02-10
Also published as: CN1809945A; BRPI0413111A; KR100729974B1; EP1650825A1; RU2296393C2; JPWO2005013405A1; CA2525072A1; US20060040156A1; KR20060010816A; AU2004301860B2; RU2005135161A; CN100395913C; AU2004301860A1; EP1650825A4

Abstract

　電解質層にクラックが発生するのを抑制しながら電解質層の薄膜化を図る。無機質の緻密な電解質層３６を、緻密な基材３１とともに設けることにより電解質膜３０を形成する。電解質膜３０と燃料極と酸素極とから構成されるセルを直列に複数積層して燃料電池スタックを構成する。

Description

明細書

燃料電池ス夕ックおよび燃料電池システム並びに燃料電池ス夕ックの製造方法技術分野

本発明は、燃料電池スタックと、その燃料電池スタックを備えた燃料電池システムと、その燃料電池スタックの製造方法に関する。背景技術

従来、特開平 1 0— 2 9 4 1 1 7号公報に記載されているように、固体高分子電解質膜よリなる電解質層に水素分離層を積層した燃料電池が知られている。水素分離層は、ガス透過性が低いので、この構成によれば、電解質層に孔（以下、「クラック Jと呼ぶ)が空いても水素分離層によりガス透過量が低く抑えられる。このために、この構成によれば、電解質層を薄膜化することができる。しかしながら、上記の従来の技術では、薄膜化により発生したクラックを許容したままで電解質層を使用すると、膜抵抗が増大してしまい燃料電池の性能が低下するという問題を発生した。発明の開示

本発明は、こうした課題に鑑みなされたものでぁリ、クラックの発生を抑制しながら電解質層の薄膜化を実現することを目的とする。このような課題を解決するため、以下に示す構成をとつた。

この発明の燃料電池ス夕ックは、

緻密な水素透過性材料で形成された基材を備え、該基材の少なくとも一方の面側に無機質の緻密な電解質層を設けた電解質膜と、

該電解質膜の一方の面に配置され、水素を含有する燃料ガスの供給を受ける燃料極と、

該電解質膜の他方の面に配置され、酸素を含有する酸化ガスの供給を受ける酸素極と

を備える単位燃料電池を、複数積層してなることを特徴としている。

この燃料電池スタックによれば、無機質の緻密な電解質層を、緻密な基材とともに設けることにより、電解質層におけるクラックの発生を抑制しながら電解質層を十分に薄膜化することができるという効果を奏する。これに伴い、電解質層の膜抵抗の低減を図ることができることから、高温型の燃料電池の動作温度を低温化することができる。また、単位燃料電池が複数積層されていることから、電池出力の増大を図ることができる。

電解質層としては、セラミックス材料によって形成されたものとすることができ、例えば、 B a C e 0₃、 S r C e 0₃系の固体酸化物材料によって形成されたものとすることができる。また、固体高分子膜等の他の種類の電解質を用いることもできる。基材としては、水素透過性を有する金属材料とすることができ、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびこれらの少なくとも一部を含む合金のいずれかを用いることができる。また、パラジウム、パラジウム合金などの貴金属を用いることもできる。さらには、電解質層は、基材の片面のみに設けてもよいし、両面に設けてもよい。

前記構成の燃料電池スタックにおいて、隣り合う単位燃料電池間に介在されるセパレー夕と、該セパレ一夕と接して、前記酸素極に前記酸化ガスを供給するための流路を形成するガスケットとを備え、前記流路内に、当該流路の開口を維持しつつ前記酸素極側の集電の役目を果たす導電部を備える構成とすることができる。

この構成によれば、ガスケッ卜とセパレ一夕により容易に酸化ガスの流路を形成することができ、導電部により酸素極側の集電を行なうことができる。

前記セパレー夕とガスケッ卜と導電部を備えた構成の燃料電池スタックにおいて、前記導電部は、前記単位燃料電池の積層方向からの外力に対して弾性変形容易な形状に予め成形された金属材料により形成されたものとすることができる。電解質層を始めとして電解質膜の各層は非常に薄く、一方、集電のためにこの電解質膜に金属を当てる必要があることから、ガスケッ卜のつぶれ具合によっては、電解質膜の耐久性が心配される。しかし、この構成によれば、導電部が弾性変形することにより、ガスケッ卜のつぶれによって受ける圧力を吸収することができるために、導電部によつて電解質膜が損傷されることがない。

前記金属材料は、細板状の金属板である構成とすることができる。さらに、この細板状の金属板は、波形に成形されたものとすることができる。かかる構成により、簡単な構成で、集電と弾性変形の働きを得ることができる。

また、前記金属材料は、細線状の金属細線である構成とすることができる。さらに、前記金属材料は、前記金属細線を編んだり絡ませたりしてスポンジ状にした金属ウールとすることができる。かかる構成にょリ、簡単な構成で、集電と弾性変形の働きを得ることができる。

前記導電部は、前記金属材料の表面に抗酸化処理が施されたものとすることができる。この構成によれば、導電部が流路を流れる酸化ガスによって酸化されるのを防止することができる。

前記ガスケッ卜は、絶縁性の材料によって形成されたものとすることができる。絶緣性とすることで、電子がガスケッ卜から抜けることを防止することでき、この結果、各電極での反応を促進することができる。

前記構成の燃料電池スタックにおいて、隣リ合う単位燃料電池間に介在されるセパレー夕を備え、該セパレ一夕は、外側に張り出して、熱伝導度の大きい材料で形成されることによリ、該張り出した部分で放熱フインとして機能させる構成とすることができる。この構成によれば、複雑な冷却構造を燃料電池スタックの内部に設けなくてもすむことから、構造が簡単となる。

前記構成の燃料電池スタックにおいて、外側を覆う絶縁性のケ一シングと、該ケーシングと一体となって、前記セパレー夕の前記張り出した部分に冷却媒体を送る通路を形成する冷却通路部とを備えた構成とすることができる。この構成によれば、ケーシングと冷却通路部とがー体となっており、構造がより一層簡単となる。

前記構成の燃料電池スタックにおいて、前記基材は、前記水素透過性材料と異種の金属材料で作られたパンチングプレー卜に、前記水素透過性材料を埋め込んで形成されたものとすることができる。この構成によれば、水素透過性材料の部分の面積を小さくして、かつその部分を異種の金属材料で囲み込むことができることから、基材の水素膨張を防ぐことができる。この結果、基材の剥離を防止することができる。

また、前記基材は、前記水素透過性材料とステンレスとの混合物で形成されたものとすることができる。さらに、前記基材は、前記水素透過性材料と銅との混合物で形成されたものとすることができる。ステンレスと銅については、水素透過性材料と混合しても素性の悪 L、合金となることがないことから、水素透過性材料に混合する異種の金属材料としては優れている。

この発明の燃料電池システムは、

隣り合う単位燃料電池間に介在されるセパレー夕を備え、前記セパレー夕を、外側に張り出して、熱伝導度の大きい材料で形成されることにより、該張り出した部分を放熱フィンとして機能させる構成の前述した燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、

前記セパレー夕の前記張り出した部分に、冷却媒体を供給する冷却媒体供給路と、

前記冷却媒体供給路から供給する冷却媒体を、加熱用の媒体に切り換える冷却加熱切替手段と

を備えることを特徴としている。

この構成によれば、セパレー夕の張り出した部分に冷却媒体を送ることで、簡単な構成で冷却効率の向上を図ることができる。さらには、必要に応じてその冷却媒体を加熱用の媒体に切り換えることができることから、簡単な構成で低温時における起動性を高めることができる。

この発明の燃料電池の製造方法は、

( a ) 隣り合う単位燃料電池間を直列接続するための金属セパレー夕を準備する工程と、

( b ) 前記金属セパレー夕に、緻密な水素透過性材料で形成された基材を接着する工程と、

( c ) 該基材の少なくとも一方の面側に無機質の緻密な電解質層を成膜する工程と、

( d ) 前記（a ) で基材に接着した金属セパレー夕とは極が違う他極側の金属セパレー夕を、前記電解質層の外側の面側に接着する工程と、

( e ) 前記（a ) 〜（d ) により作成されたものを単位燃料電池として複数作成して、複数の単位燃料電池を積層する工程と、

( f ) 積層された複数の単位燃料電池を締結部材によって締結する工程とを備えることを特徴としている。

この構成によれば、クラックの発生を抑制しながら電解質層を十分に薄膜化することを可能とした燃料電池ス夕ックを容易に製造することができる。これに伴い、電解質層の膜抵抗の低減を図ることができることから、高温型である燃料電池を低い動作温度で動作可能とした燃料電池スタックを容易に製造することがでさる。図面の簡単な説明

図 1は、第 1実施例としての燃料電池スタック 1の構成を模式的に示す説明図である。

図 2は、燃料電池スタック 1を構成する単位燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。

図 3は、ケ一シング 6 0を示す説明図である。

図 4は、燃料電池スタック 1の製造工程を示す工程図である。

図 5は、変形例としての電解質膜の層構成の一覧を示す説明図である。

図 6は、変形例としての導電部 2 2 4を示す説明図である。

図 7は、変形例の基材としての板材 2 3 Ίの平面を示す説明図である。

図 8は、燃料の路、空気の流路共に溝付き金属セパレー夕とした変形例を示す説明図である。

図 9は、冷却ガス用の流路をコア内に設けた変形例を示す説明図である。図 1 0は、第 2実施例の燃料電池システム 5 0 0の概略構成を示す構成図である。

図 1 1は、始動時制御ルーチンを示すフローチャートである。発明を実施するための最良の形態

以上説明したこの発明の構成 ·作用を一層明らかにするために、以下この発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。

図 1は、第 1実施例としての燃料電池ス夕ック 1の構成を模式的に示す説明図である。図 2は、燃料電池スタック 1を構成する単位燃料電池の構成を模式的に示す説明図である。この単位燃料電池は、いわゆる固体酸化物型の燃料電池に分類される。図 2を用いて、まず単位燃料電池（以下、セルと呼ぶ）について説明する。図 2には、セルの断面を示した。このセルは、大まかには、 2枚の金属セパレー夕 1 0， 2 0で電解質膜 3 0を挟んだ構造となっている。

金属セパレー夕 1 0には、水素リッチな燃料ガスを供給するための流路 1 2が設けられている。この流路 1 2は、図中、紙面に垂直な方向に伸びるストレートタイプの複数の溝によって構成される。一方の金属セパレ一夕 2 0には、酸化ガスとしての空気を供給するための流路 2 2が付設されている。この流路 2 2は、金属セパレー夕 2 0と電解質膜 3 0との間の空間をガスケッ卜 4 0で囲み込むことにより形成される。金属セパレー夕 1 0、 2 0は、銅やアルミニウム等の金属材料で形成可能であり、好ましくは、銅やアルミニウム等のように熱伝導度の大きなものが望ましい。ガスケッ卜 4 0は、絶縁性のもので、ゴムやプラスチック、高耐熱繊維に一部ゴムを含浸させたもの等で形成可能である。なお、流路 2 2は、金属板 2 4によって複数の流路に区分けされているが、この金属板 2 4については後述する。

電解質膜 3 0は、バナジウム（V ) で形成された緻密な基材 3 1を中心とする 6層構造となっている。基材 3 1の両面には、緻密体の金属拡散抑制層 3 2， 3 3が備えられている。更に金属拡散抑制層 3 2， 3 3の外面には、パラジウム（P d ) の被膜 3 4 . 3 5が設けられている。基材 3 1は、緻密な水素透過性材料で形成されたものであればよく、バナジウムに換えて、バナジウムと銅 ( C u ) の合金、バナジウムとニッケル（N i ) の合金等を用いることができる。その他にも、パラジウム、パラジウム合金などの貴金属、並びに V A族元素、例えば、二才ブ（N b )、タンタル（T a )などを用いることができる。被膜 3 4 . 3 5は、 P dに換えて、触媒作用のある P dと A gの合金等とすることができる。なお、燃料極としての金属セパレ一タ 1 0の側に形成される被膜 3 4は、金属セパレー夕 1 0に形成された流路 1 2内に形成されるもので、島状に分離されている。金属拡散抑制層 3 2， 3 3には、タングステンの酸化物 (W0₃) を用いることができる。金属拡散抑制層 3 2， 3 3は、基材 3 1と被膜 3 4， 3 5が互いに金属拡散を起こすことを抑制する。金属拡散抑制層 3 2， 3 3は、酸化タンダステンに換えて、プロ卜ン伝導体,混合伝導体,セラミックス，およびこれらの複合材料や傾斜材料を用いても良い。例えば、酸化ジルコニウム、酸化モリブデン、 Y₂ 0₃ S i 0₂などがある。 .

さらに、金属セパレー夕 2 0側の被膜 3 5の外面には、電解質層 3 6の薄膜が成膜されている。電解質層 3 6としては、プロ卜ン伝導性を有する固体酸化物である B aCe0₃、 S r C e 0₃系等のぺロブスカイ卜型複合酸化物 (AB0₃) を用いることができる。なお、電解質層 36は、無機質の緻密な電解質材料で形成されたものであればよく、上記固体酸化物に換えて、パイロクロア型複合酸化物 (A₂B ₂0₇) 、スピネル型複合酸化物 (AB0₄)等のプロ卜ン伝導性を有する固体酸化物も用いることができる。

本実施例では、基材 31の厚さは 1 00 ^m、金属拡散抑制層 32， 33の厚さは 1 xm、？01の被膜34， 35の厚さは 0. 75 m、電解質層 36の厚さは 0. 1 mとした。各層の厚さは任意に設定可能である。 37は、ろう付け層で、基材 31と金属セパレ一夕 1 0とをろう付けしている。

電解質膜 30の電解質層 36の外面には、電極 38が形成されている。電極 3 8は、多孔質の発泡金属あるいは金属メッシュの板材により形成されている。なお、この電極 38には、パラジウム（Pd) または白金（P t) 等の触媒が担持されており、発電過程における反応を促進するための触媒機能を有する。電極 3 8の厚さは、数十〜数百/ とした。

電極 38の外面には、前述した空気の流路 22が位置するが、この流路 22は、多数の金属板 24によって複数の流路に区分けされている。金属板 24は、波形の細板であり、長手方向の片側の端面が、金属セパレー夕 20の電解質膜 30側の面にろう付け接着されており、長手方向の他方側の端面は、電極 38の外面に当接されている。この構成により、金属板 24は、酸素極側の集電の役目も果たす。なお、金属板 24は、電極 38の外面と接触しているだけで接着はなされていないが、ろう付け等により接着するようにすることもできる。金属板 24は、例えば、電子導電性を有するワイヤメッシュや焼結体、不繊布等で形成されており、板厚は、例えば、 0. 5mmである。金属板 24の表面は、メツキ等により抗酸化処理が施されている。抗酸化処理が施されているのは、流路 22を流れる空気による酸化を防止するためである。

前記のように構成されたセルでは、発電過程において、金属セパレ一夕 20の流路 1 2に供給された燃料ガス中の水素は、プロトンと電子に乖離して、プロ卜ンは電解質層 3 6を移動し、電極 3 8で酸素と結合して水を生成する。このように水素と酸素が結びついて電気と水が発生する。なお、前記構成のセルでは、燃料ガスの流路 1 2を備える金属セパレー夕 1 0が燃料極に相当し、電極 3 8が酸素極に相当する。

前記のように構成されたセルを複数積層した燃料電池を備えるのが燃料電池スタック 1である。詳細には、図 1に示すように、燃料電池スタック 1は、セルを、金属セパレー夕 1 0、電解質膜 3 0 (ガスケット 4 0を含む）、金属セパレー夕 2 0の順に複数組、積層した構造である。なお、セルとセルとの境の金属セパレ一夕は、水素極としての金属セパレー夕 1 0と酸素極としての金属セパレータ 2 0とが一体となって構成されている。前記積層の組数は、例えば 1 0 0〜4 0 0 組であるが、図においては 3組として描かれている。

金属セパレー夕 1 0， 2 0は、電解質膜 3 0とガスケット 4 0との構造体よりも外側に張り出している。金属セパレー夕 1 0， 2 0には、ボル卜孔が空けられており、そのボル卜孔を通したボル卜 5 0により各金属セパレー夕 1 0， 2 0は締め付けられている。なお、ポル卜 5 0とボル卜孔の間には絶縁用カラー（図示せず）が配設されており、ボル卜 5 0の頭部部分とナツ卜 5 1の部分には絶縁ヮッシャ 5 2が設けられており、金属セパレー夕〗 0， 2 0間の絶縁性が確保されている。

燃料電池スタック 1は、流路マニホールドを形成するケーシング 6 0により外側が覆われる。図 3は、ケ一シング 6 0を示す説明図である。図には、ケーシング 6 0のコア部 6 1だけを仮想的に外側に引き出した状態が示されている。ケーシング 6 0は、ステンレス（S U S ) 等の絶縁性の材料により形成されており、図示するように、六角柱の形状をしたコア部 6 1と、このコア部 6 1の両脇に設けられた冷却ガス用の通路部 6 2， 6 3と、コア部 6 1の前後に設けられた燃料ガス用の入口部 6 4、出口部 6 5と、コア部 6 1の後前に設けられた空気用の入口部 6 6、出口部 6 7とを備える。

ケーシング 6 0は、上側部分と下側部分の 2つのパーツから構成されており、燃料電池スタック 1は、両パーツによってサンドイッチされてケ一シング内に収納される。この収納時には、電解質膜 3 0やガスケッ卜 4 0の部分がコア部 6 1 内に位置し、金属セパレー夕 1 0， 2 0の張り出し部分、すなわち、電解質膜 3 0やガスケット 4 0の部分よりも外側に張り出した部分が冷却ガス用の通路部 6 2 , 6 3に位置する。すなわち、図中 A— A線方向に切断したときの燃料電池スタック 1の切断面が図 1に示したもの（ケーシング 6 0自体は記載されていない）となる向きに、燃料電池スタック 1はケーシング 6 0内に収納される。冷却ガス用の通路部 6 2 , 6 3に設けられた孔は、燃料電池スタック 1に設けられたボル卜 5 0用の孔 6 2 hである。すなわち、金属セパレータ 1 0， 2 0の張り出し部分は、冷却ガス用の通路部 6 2， 6 3内に完全に張り出しており、この孔 6 2 h に通されたボル卜 5 0によりケーシングの上下のパーツも燃料電池スタック 1と共に締め付け固定されている。

冷却ガス用の通路部 6 2， 6 3は、前側に入口部 6 2 a、 6 3 aを、後ろ側に出口部 6 2 b、 6 3 bを備えており、入口部 6 2 a、 6 3 aおよび出口部 6 2 b、 6 3 bは、燃料電池スタック 1のセルの積層数に応じただけの開口を備える。入口部 6 2 a、 6 3 aの開口によって分岐されて送られた冷却ガスは、燃料電池スタック 1に備えられる各金属セパレー夕 1 0， 2 0の前記張り出し部分を伝って出口部 6 2 b、 6 3 bから排出される。すなわち、その張り出し部分は、放熱フインとして機能し、上記冷却ガスが送風される。

燃料ガス用の入口部 6 4は、前側の右側部分に設けられており、燃料ガス用の出口部 6 5は、後ろ側の左側部分に設けられている。空気用の入口部 6 6は、後ろ側の右側部分に設けられており、空気用の出口部 6 7は、前側の左側部分に設けられている。コア部 6 1内においては、燃料ガスは、金属セパレー夕 1 0に設けられた流路 1 2に対応した分岐路 6 8によって分岐され、空気は、金属セパレ一夕 2 0に設けられた流路 2 2に対応した分岐路 6 9によって分岐される。燃料ガスと空気は、コア部 6 1内において、巟れの高さは違うが平面的にはクロスするようにして燃料電池スタック 1内を流れる。なお、燃料ガスと空気は、燃料ガスが前側から後ろ側へ、空気が後ろ側から前側へというように対向流となっているが、これに換えて、空気用の入口部を前側、出口部を後ろ側（あるいは燃料ガス用の入口部を後ろ側、出口部を前側）にして、燃料ガスと空気が同じ向きに流れる並行流となる構成としてもよい。コア部 6 1の分岐路 6 8， 6 9が形成されていない面には、ガスのシールとコア部 6 1を保持する機能を有する絶縁マツ卜 (アルミナマツ卜：図中ハッチングの部分）が配設されている。

図 4は、上述した燃料電池スタック 1の製造工程を示す工程図である。この製造工程では、まず、水素極としての金属セパレー夕 1 0に、基材 3 1をろう付けする（ステップ S 1 0 0 ) 。このろう付けは、基材 3 1の片側面の外周に近い部分になされる（図 2におけるろう付け層 3 7を参照）。これにより、その片側面のろう付け層 3 7の内側部分に微小な間隙ができる。次に、基材 3 1の両面に金属拡散抑制層 3 2 , 3 3を形成する (ステップ S 1 1 0 ) 。詳細には、金属拡散抑制層 3 2， 3 3は、メツキまたは事前に基材 3 1にイオンプレーティング、蒸着等によリコーティングすることにより形成される。基材 3 1の金属セパレ一夕 1 0側の面に形成される金属拡散抑制層 3 2は、前記間隙に形成される。

続いて、金属拡散抑制層 3 2 , 3 3の両外面に、 P dの被膜 3 4 , 3 5を形成する（ステップ S 1 2 0 ) 。詳細には、被膜 3 4 . 3 5は、メツキすることにより形成される。金属セパレー夕 1 0側に形成される被膜 3 4は、金属セパレー夕 1 0に形成された巟路内に形成される。

その後、金属セパレー夕 2 0側に形成された被膜 3 5の外側の面に、電解質層 3 6を成膜する（ステップ S 1 3 0 ) 。電解質層 3 6の成膜は、電解質を生成しつつ行なわれるが、例えば、物理蒸着、化学蒸着、スパッタリングなど種々の手法を用いることができる。基材 3 1は緻密であるため、電解質層 3 6の十分な薄膜化が可能である。続いて、電解質層 3 6の外側の面に電極 3 8を成膜する（ステツプ S 1 4 0 ) 。電極 3 8の成膜は、物理蒸着、化学蒸着、スパッタリングなど種々の手法を用いることができる。次いで、酸素極としての金属セパレー夕 2 0に多数の金属板 2 4をろう付けにより接着する（ステップ S 1 5 0 ) 。

その後、前記ステップ S 1 0 0ないし S 1 5 0で作られたものを 1セルとして、ガスケット 4 0を基材 3 1に当たるように介在させて複数セルを順に積層する (ステップ S 1 6 0 ) 。その後、ケーシング 6 0で覆う（ステップ S 1 7 0 ) 。このときケ一シング 6 0に前述した絶縁マツ卜のセットも行なう。その後、ボルト 5 0、ナツ卜 5 1、絶縁ヮッシャ 5 2、前述した絶縁用カラーを用いて、ケーシング 6 0で覆われた燃料電池スタック 1を締結する（ステップ S 1 8 0 ) 。こうして燃料電池スタック 1が完成する。なお、この燃料電池スタック 1の使用に際しては、最も下側に位置する金属セパレー夕 1 0と最も上側に位置する金属セパレー夕 2 0との間に電気的な負荷 7 0 (図 1参照）を接続するようにする。以上で説明した燃料電池スタック 1によれば、無機質の緻密な電解質層 3 6を、緻密な基材 3 1とともに設けることにより、電解質層 3 6におけるクラックの発生を抑制しながら電解質層 3 6を十分に薄膜化することができる。したがって、電解質層 3 6の膜抵抗の低減を図ることができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を、例えば 4 0 0〜6 0 0 °Cと低温化することができる。また、単位燃料電池が直列に複数積層されていることから、電池出力の増大を図ることができる。

また、この実施例では、ガスケッ卜 4 0とセパレー夕 2 0により容易に空気の流路 2 2を形成することができる。さらに、次のような効果もある。電極 3 8のような平板電極から電子を受け取るには、水素極側の金属セパレー夕 1 0と同様に、溝付きのものとするのが一般的な構成であるが、この構成において、電解質膜 3 0の周囲にこの実施例のようにガスケット 4 0を設けた場合（結局、後述する図 8の変形例に示す構成となる）、ボル卜 5 0による燃料電池スタック 1の締め付けによって、ガスケット 4 0がつぶれると、金属セパレー夕 1 0の流路溝間のリブが電極 3 8に押し付けられることになり、電極 3 8や電解質層 3 6が損傷する恐れがあった。これに対して、この実施例では、金属板 2 4のような細板を用いて、しかも金属板 2 4は波形となっていることから、燃料電池スタック 1の締め付け方向、すなわちセルの積層方向からの締め付け圧に対して、金属板 2 4 が変形してばねの働きをすることにより、その圧力を吸収することができる。このために、電解質層 3 6や電極 3 8の損傷を防止することができる。

なお、金属板 2 4は波形となっているが、必ずしも波形でなくとも、セルの積層方向からの圧力に対して、予め弾性変形し易いような形状であればどのような形状でもよい。

この実施例では、ガスケット 4 0が、絶縁性の材料によって形成されていることから、電子がガスケット 4 0から抜け出ることがない。この結果、各電極での反応を促進することができる。

この実施例では、セルとセルの境に設けられる金厲セパレー夕 1 0， 2 0を電解質膜 3 0やガスケッ卜 4 0の部分から張り出すように構成して、しかも、金属セパレー夕 1 0， 2 0を銅やアルミニウム等の熱伝導度の大きい材料で形成していることから、この張り出し部分で放熱フィンとして機能させることができる。このために、複雑な冷却構造を燃料電池スタック 1の内部に設けなくてもすむことから、構造が簡単である。特に、この実施例では、ケーシング 6 0の形状によつて、その張り出し部分に冷却ガスが直接あたるように構成されていることから、簡単な構成で冷却効率の向上を図ることができる。前記第 1実施例の変形例を以下に説明する。

図 5は、変形例としての電解質膜の層構成の一覧を示す説明図である。ケース Aは、前記実施例の構造（図 2 ) に相当する。つまり、基材 3 1の両面に金属拡散抑制層 3 2， 3 3を設け、さらに外側に P dの被膜 3 4 , 3 5を設け、その酸素極側の面に電解質層 3 6を設けた構造である。

第 1実施例の燃料電池スタック 1の各セルに備えられる電解質膜は、緻密な水素透過性材料の基材と電解質層が設けられていればよく、例えば、ケース Bのように、酸素極側の被膜 3 5を取り除いた構成としてもよい。燃料極側の被膜 3 4 によっても、燃料ガス中の水素はプロトンと電子に乖離されることから、プロ卜ンは電解質層 3 6を移動することから電池反応を起こすことができる。

また、ケース Cのように、両方の金属拡散抑制層 3 2、 3 3を取り除いた構成としてもよいし、ケース D , Eのように、いずれか一方の金属拡散抑制層 3 2 ( 3 3 ) を取り除いた構成としてもよい。金属拡散抑制層 3 2 , 3 3は、被膜 3 4 . 3 5を構成する P dと基材 3 1とが互いに金属拡散を起こすことを抑えるために間に置いたもので、金属拡散を容認するならば取り除くこともできる。なお、ケース C〜Eでは、被膜 3 5を設けているが、ケース Bと同様に、被膜 3 5を取り除いた構成としてもよい。

さらに、電解質膜は、緻密な水素透過性材料の基材の両側にそれぞれ電解質層を備える構成とすることもできる。詳細には、前記実施例において、基材 3 1と金属拡散抑制層 3 2の間に、電解質層 3 6と同じ電解質層を備えた構成とする。この構成によれば、前記実施例と同様に、電解質層を薄膜化することができることから、固体酸化物型燃料電池の動作温度を低温化することができる。

なお、第 1実施例では、固体酸化物からなる電解質層 3 6は、金属セパレー夕 2 0側の被膜 3 5の外面に成膜するように構成されていたが、予め薄膜化しておき、成膜に換えて貼り付ける構成とすることもできる。この構成によっても、電解質層を、緻密な基材 3 1 とともに設けることにより十分に薄膜化することが可能である。

第 1実施例では、導電部としての金属板 2 4は予め弾性変形しやすいように波形に曲げてあつたが、これに換えて、平板を用いて電極 3 8と接触する側の先端部にばね機構を設けることで、セルの積層方向からの外力に対して弾性変形しやすい構成とすることもできる。図 6は、その構成としての導電部 2 2 4を示す説明図である。図示するように、導電部 2 2 4における電極 3 8と接触する側の先端部 2 2 4 aを、鍵状の形とすることで、板ばねのように作用するようにする。この構成によっても、前記実施例と同様に、セルの積層方向からの締め付け圧に対して、導電部 2 2 4の先端部 2 2 4 aが変形してばねの働きをすることにより、その圧力を吸収することができる。このために、電解質層 3 6や電極 3 8の損傷を防止することができる。

第 1実施例では、導電部として細板である金属板 2 4が用いられていたが、これに換えて、金属細線とすることができる。金属細線は、ワイヤー状のもので、例えば、ニッケルやステンレス（S U S ) 等で形成されており、径は、例えば、 0 . 1 m mである。多数の金属細線を酸素極側の金属セパレー夕 2 0に立設して、各金属細線の他方側の端部が電極 3 8に立設するように構成する。金属細線は、前記実施例の金属板 2 4と同様に、波形に予め曲げられているのが好ましい。これら金属細線は、表面に抗酸化処理が施されたものが好ましい。

さらには、金属細線を編んだり絡ませたりしてスポンジ状にした金属ウールを作成して、前記実施例において、金属板 2 4を取り除いて、ガスケット 4 0によつて取り囲まれた空気の流路 2 2内に、その金属ウールを充填する構成とすることもできる。この変形例によっても、セルの積層方向からの締め付け圧を金属ゥールによつて吸収することができる。このために、電解質層 3 6や電極 3 8の損傷を防止することができる。なお、金属ウールを作成する金属細線は、表面に抗酸化処理が施されたものが好ましい。第 1実施例やこれら変形例の導電部によれば、酸化ガスの流路 2 2の開口は十分に維持される。

なお、前記第 1実施例や変形例では、平板形状の電極 3 8を電解質層 3 6の表面に設けて、その電極 3 8に導電部を接触させて金属セパレー夕 2 0への集電を行なっているが、電極 3 8を取り除いて、導電部を直接電解質層 3 6に接触する構成とすることもできる。前述してきたように導電部は、細板または細線によつて形成され、さらにはばねの働きをする形状に予め形成されていることから、直接電解質層 3 6と接触しても、電解質層 3 6を損傷する恐れが小さい。なお、損傷をより一層確実に防止することを目的として、電極 3 8は勿論のこと、電極 3 8の金属セパレー夕 2 0側の表面に金属製のパンチングプレ一卜を置き、導電部をこのパンチングプレー卜に接触させる構成とすることもできる。

第 1実施例におけるガスケット 4 0は、図 2に示す形状に限る必要もなく、空気の流路 2 2としての充分なシールド性を有するならば、種々の形状に換えることができる。

第 1実施例において、基材 3 1は緻密な水素透過性材料で形成されていたが、この水素透過性材料は、水素の透過時に水素膨張を起こし、また逆に、水素の非透過時に収縮することから、システムの起動 ·停止の繰り返しにより膨張 ·収縮が発生して基材 3 1の剥離が生じる恐れがある。この問題を解決するいくつかの変形例を次に説明する。

( a ) 第 1の例は、パンチングプレー卜に水素透過性材料を埋め込み、基材とした構成である。図 7は、その板材 2 3 1の平面を示す説明図である。図示するように、板材 2 3 1は、 Vより融点の高い金属材料（モリブデン（M o ) や夕ングステン（W) など）で作られたパンチングプレー卜 2 4 0を備え、そのパンチングプレー卜 2 4 0の穴 2 4 0 aにバナジウム（V ) が埋め込まれた構成をしている。作成の仕方は、上記金属材料で作られたパンチングプレー卜 2 4 0を用意し、そのパンチングプレー卜 2 4 0の穴 2 4 0 aに Vを熱間等方圧加圧法（H I P ) により埋め込み、その後、焼成するものである。このように作成することで、 V が穴 2 4 0 aに隙間無しに埋め込まれる。この板材 2 3 1を基材とすることで、水素透過性材料の部分の面積を小さくして、かつその部分を他の金属で囲み込むことができることから、基材の水素膨張を防ぐことができる。

( b )第 2の例は、ステンレス ( S U S )のパンチングプレー卜にバナジウム ( V ) の粉末を埋め込み、熱間等方圧加圧法（H I P ) により加圧処理した板材を、基材とした構成である。上記（a ) と同様に、水素透過性材料の部分の面積を小さくして、かつその部分を他の金属で囲み込むことができることから、基材の水素膨張を防ぐことができる。パンチングプレー卜は、 S U Sに換えて、 C u等の水素透過性材料と違う異種の金属材料とすることもできる。

( c ) 第 3の例は、 Vの細線を S U Sで錶ぐるみにし圧延することにより生成した板材を、基材とした構成である。詳細には、 Vで形成された剣山状のものを用意して、その剣山の隙間に Vより融点の低い金属材料（5 11 5ゃ〇リ）を埋め込み、その後、錶造し、圧延した板材である。この板材を基材として用いることで、素透過性材料の部分の面積を小さくして、かつその部分の周囲に他の金属材料を介在させることができることから、基材の水素膨張を防ぐことができる。

( d ) C uと Vとを混ぜ合わせて C uの大きな粒子を Vの小さな粒子で囲むようにして、熱間等方圧加圧法（H I P ) により加圧処理した板材を、基材とした構成である。この構成によっても、上記（3 ) と同様な効果を奏する。

( e )前記（c ) 、（d ) は、基材を、水素透過性材料とステンレスとの混合物、または水素透過性材料と銅との混合物で形成したものの一例であり、両混合物は、前記（c ) 、 ( d ) に示した方法で作成したものに限る必要はなく、他の方法で作成したものであってもよい。なお、ステンレスと銅については、水素透過性材料と混合しても素性の悪 tヽ合金となることがないことから、水素透過性材料に混合する異種の金属材料としては優れている。

前記第 1実施例では、空気の流路 2 2は、金属セパレー夕 2 0と電解質膜 3 0 との間の空間をガスケッ卜 4 0で囲み込むことにより形成されているが、これに換えて、燃料の流路 1 2と同様に、金属セパレー夕に溝を設けることにより形成してもよい。図 8は、燃料の流路、空気の流路共に溝付き金属セパレ一夕とした変形例を示す説明図である。図示するように、酸素極側の金属セパレー夕 3 2 0 にも、燃料極側と同様に、ストレートタイプの複数の溝 3 2 2を設け、溝間のリプが電極 3 8 (第 1実施例と同じパーツには同一の番号を付した）に接触するように構成する。

この変形例によれば、第 1実施例で説明してきた金属板 2 4による効果を奏しないが、それ以外の効果は第 1実施例と同様である。

前記第 1実施例では、金属セパレ一夕〗 0 , 2 0が、電解質膜 3 0やガスケッ卜 4 0の部分より張り出して、その張り出し部分が冷却ガス用の通路部 6 2 , 6 3に位置するように構成したが、これに換えて、電解質膜 3 0やガスケッ卜 4 0 の部分よリ内側に冷却ガス用の通路が内在する構成とすることもできる。図 9は、この変形例を示す説明図である。図示するように、燃料ガス側の金属セパレー夕 4 λ 0を両面に溝付きの形状とすることで燃料ガスの流路 4 1 2と冷却ガス用の路 4 1 9が形成されるようにする。この金属セパレー夕 4 1 0は、空気の流路 4 2 2を備える金属セパレー夕 4 2 0と接着、ろう付け等により接合されている。かかる構成により、冷却ガス用の流路がコア内に設けられることになることから、コンパク卜化することができる。本発明の第 2実施例について次に説明する。第 2実施例は、第 1実施例で説明した燃料電池スタック 1と、燃料電池スタック 1の冷却系統とを備える燃料電池システムについてのものである。図 1 0は、第 2実施例の燃料電池システム 5 0 0の概略構成を示す構成図である。図示するように、燃料電池システム 5 0 0は、第 1実施例と同じ燃料電池スタック 1を備える。燃料電池スタック 1のケ一シングに備えられた冷却ガス用の入口部 6 2 a， 6 3 aに、冷却空気供給路 5 0 2が接続されている。冷却空気供給路 5 0 2の他端には、空気供給ブロア 5 0 4が接続されており、空気供給ブロア 5 0 4から空気が冷却空気供給路 5 0 2を介して燃料電池スタック 1に送られる。

冷却空気供給路 5 0 2の途中には、水供給装置 5 0 6から水が供給可能となつている。水供給装置 5 0 6は、電子制御ュニッ卜（E C U ) 5 1 0から制御信号を受けて、水の供給を行なったり中止したりすることができる。水供給装置 5 0 6から冷却空気供給路 502に水の供給が行なわれると、燃料電池スタック 1には、液状あるいは霧状となった水が空気と共に供給されることになる。これらの冷却媒体は燃料電池スタック 1の冷却ガス用の通路部 62, 63を通って、金属セパレー夕 1 0、 20の張り出し部分を伝う。空気中に液状あるいは霧状に含まれた水分は燃料電池スタック 1からの熱を受けて一部あるいは全体が蒸発し、蒸発潜熱により燃料電池スタック 1が効果的に冷却される。

また、冷却空気供給路 502の途中には、ヒータ 51 2が設けられており、冷却空気供給路 502を通る空気を加熱することができる。ヒータ 51 2はリレー 51 4と接続されており、 ECU 51 0から制御信号をリレー 51 4に受けることで、ヒータによる加熱を行なったり中止したりすることができる。

燃料電池スタック 1の所定の部位には、温度センサ 51 6が設けられており、燃料電池スタック 1の温度を検出することができる。温度センサ 51 6の出力信号は E CU 51 0に送られる。 ECU 51 0には、システムスィッチ 520が接続されている。システムスィッチ 520は、操作者による操作を受けて、この燃料電池システム 500を駆動し停止するスィッチである。なお、燃料電池システ厶 500は、燃料電池スタック 1の燃料ガス用の入口部 64、空気用の入口部 6 6 (図 3参照）に燃料ガス、空気をそれぞれ送る燃料系統と空気系統とを備えるが、これらの系統については図 1 0では省略している。また、図示はしないが、燃料電池スタック 1には、なんらかの負荷が接続されている。

上記 ECU 51 0は、 C PU、 ROM, R A M等から構成されるいわゆるマイクロコンピュー夕である。 ECU 51 0によって実行される燃料電池システム 5 00の始動時制御ルーチンについて、次に説明する。

図 1 1は、始動時制御ルーチンを示すフローチヤ一卜です。この制御ルーチンは所定時間毎に繰り返して実行される。図示するように、処理が開始されると、 ECU 51 0の C PUは、まず、システムスィッチ 520が、オフからオンに切り換えられたときであるか否かを判別する（ステップ S 600) 。ここで、その切り換えられたときであると判別されると、まず、空気供給ブロア 5 0 4を稼働させる（ステップ S 6 0 5 ) 。次いで、温度センサ 5 1 6から温度 Tを読み込んで（ステップ S 6 1 0 ) 、その温度丁が、所定値 T O (例えば、 0 °C) 以下であるか否かを判別する（ステップ S 6 2 0 ) 。

C P Uは、ステップ S 6 2 0で温度 Tが T O以下であると判別されると、リレ一 5 1 4をオンに切り換えて（ステップ S 6 3 0 ) 、ステップ S 6 2 0に処理を戻す。一方、ステップ S 6 2 0で否定判別されて、温度 Tが T Oを上回ると判別された場合には、リレー 5 1 4をオフに切り換えて（ステップ S 6 4 0 ) 、その後、「リターン」に抜けてこの処理を終了する。

なお、ステップ S 6 0 0で否定判別された場合には、そのまま「リターン」に抜けてこの処理を終了する。

以上のように構成された始動時制御ルーチンによれば、システムスィッチ 5 2 0がオフからオンに操作されると、空気供給ブロア 5 0 4がオンされ、リレー 5 1 4がオンされることで、加熱された空気が燃料電池スタック 1の冷却ガス用の通路部 6 2， 6 3に供給される。この結果、燃料電池スタック 1が加熱される。なお、図示しない制御ルーチンにより、温度センサ 5 1 6により検出された温度丁が、所定値 T 1 (≥T 0 ) を越えた場合には、水供給装置 5 0 6を稼働するように構成されている。この構成により、温度 Τが所定 Τ 1を越えた場合には、水供給装置 5 0 6から冷却空気供給路 5 0 2に水の供給が行なわれることにより、上述したように、蒸発潜熱により燃料電池スタック 1が冷却される。

したがって、この第 2実施例によれば、燃料電池スタック 1の金属セパレー夕 1 0 , 2 0の張り出した部分に冷却媒体を送ることで、簡単な構成で冷却効率の向上を図ることができる。さらには、必要に応じてその冷却媒体を加熱用の媒体に切り換えることができることから、簡単な構成で低温時における起動性を高めることができる。以上、本発明の種々の実施例および変形例について説明したが、本発明はこれらに限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、電解質層は、固体高分子膜等の他の種類の電解質に換えてもよい。

Claims

請求の範囲

1 . 緻密な水素透過性材料で形成された基材を備え、該基材の少なくとも一方の面側に無機質の緻密な電解質層を設けた電解質膜と、

を備える単位燃料電池を、複数積層してなる燃料電池ス夕ック。

2 . 請求項 1に記載の燃料電池スタックであって、

隣り合う単位燃料電池間に介在されるセパレー夕と、

該セパレー夕と接して、前記酸素極に前記酸化ガスを供給するための流路を形成するガスケッ卜と

を備え、

前記流路内に、当該 ¾¾路の開口を維持しつつ前記酸素極側の集電の役目を果たす導電部を備える燃料電池ス夕ック。

3 . 請求項 2に記載の燃料電池スタックであって、

前記導電部は、前記単位燃料電池の積層方向からの外力に対して弾性変形容易な形状に予め成形された金属材料により形成されたものである燃料電池スタック。

4 . 請求項 3に記載の燃料電池ス夕ックであって、

前記金属材料は、細板状の金属板である燃料電池ス夕ック。

5 . 請求項 4に記載の燃料電池スタックであって、

前記金属板は、波形に成形されたものである燃料電池ス夕ック

6 . 請求項 3に記載の燃料電池ス夕ックであつて、

前記金属材料は、細線状の金属細線である燃料電池ス夕ック。

7 . 請求項 6に記載の燃料電池スタックであって、

前記金属材料は、前記金属細線を編んだり絡ませたリしてスポンジ状にした金属ウールである燃料電池スタック。

8 . 請求項 3ないし 7のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記導電部は、前記金属材料の表面に抗酸化処理が施されたものである燃料電池スタック。

9 . 請求項 2ないし 8のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記ガスケッ卜は、絶縁性の材料によって形成されたものである燃料電池ス夕ック。

1 0 . 請求項 1ないし 9のいずれかに記載の燃料電池スタックであつて、隣り合う単位燃料電池間に介在されるセパレー夕を備え、

該セパレ一夕は、前記電解質膜より外側に張り出して、熱伝導度の大きい材料で形成されることにより、該張り出した部分を放熱フィンとして機能させる構成である燃料電池スタック。

1 1 . 請求項 1 0に記載の燃料電池スタックであって、

外側を覆う絶縁性のケ一シングと、

該ケ一シングと一体となって、前記セパレー夕の前記張り出した部分に冷却媒体を送る通路を形成する冷却通路部とを備える燃料電池システム。

1 2 . 請求項 1ないし 1 1の t、ずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記基材は、前記水素透過性材料と異種の金属材料で作られたパンチングプレ一卜に、前記水素透過性材料を埋め込んで形成されたものである燃料電池スタツク。

1 3 . 請求項 1ないし 1 1のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記基材は、前記水素透過性材料とステンレスとの混合物で形成されたものである燃料電池スタック。

1 4 . 請求項 1ないし 1 1のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記基材は、前記水素透過性材料と銅との混合物で形成されたものである燃料電池スタック。

1 5 , 請求項 1ないし 1 4のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、前記電解質層は、セラミックス材料によって形成されたものである燃料電池スタック。 1 6 . 請求項 1 5に記載の燃料電池スタックであって、

前記電解質層は、固体酸化物材料によって形成されたものである燃料電池ス夕ック。

1 7 . 請求項 1 0に記載の燃料電池スタックを備える燃料電池システムであつて、

前記冷却媒体供給路から供給する冷却媒体を、加熱用の媒体に切リ換える冷却加熱切替手段と

を備える燃料電池システム。

1 8. 燃料電池スタックの製造方法であって、

(a) 隣り合う単位燃料電池間を直列接続するための金属セパレ一夕を準備する工程と、

(b) 前記金属セパレー夕に、緻密な水素透過性材料で形成された基材を接着する工程と、

(c) 該基材の少なくとも一方の面側に無機質の緻密な電解質層を成膜する工程と、

(d) 前記（a) で基材に接着した金属セパレー夕とは極が違う他極側の金属セパレー夕を、前記電解質層の外側の面側に接着する工程と、

(e) 前記（a) 〜（d) により作成されたものを単位燃料電池として複数作成して、複数の単位燃料電池を積層する工程と、

( f ) 積層された複数の単位燃料電池を締結部材によって締結する工程とを備える燃料電池ス夕ックの製造方法。