WO2007049671A1 - 燃料電池スタック構造体 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fuel cell stack structure formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells.
- the stack structure is formed by alternately stacking cell plates and separator plates. Then, between the cell plate and the separator plate, the sealing material for the fuel gas introduction hole and the sealing material for the air introduction hole are arranged every other stage. For this reason, the applied pressure when fixing the laminated cell plates and separator plates with bolts cannot be evenly transmitted.
- the heat capacity may be reduced by reducing the thickness of each central part of the cell plate and separator plate.
- the stack structure is repeatedly heated and lowered, it is caused by the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the center portions of the cell plate and the separator plate and the sealing material. Creep deformation is likely to occur. For this reason, the gas sealability is deteriorated, or a defect such as a crack occurs in the single cell portion, resulting in a decrease in durability and thermal shock resistance.
- both the fuel gas and air are supplied to each central partial force of the cell plate and the separator plate. Therefore, it is necessary to make the shape of the fuel gas introduction hole and the air introduction hole the most suitable circular hole for maintaining airtightness, and it is necessary to seal the fuel gas introduction hole and the air introduction hole individually. Therefore, the ratio of the area occupied by the central portion to the entire cell plate increases, and there is a problem that the sealing distance becomes long as the effective power generation area of the cell plate decreases.
- the fuel cell has a bag structure. Therefore, unburned gas can be recovered.
- a plurality of fuel cells having a circular cell plate and a ring-shaped separator plate force are fixed by axially arranged bolts arranged on the outer peripheral sides of the fuel cells. For this reason, it is difficult to evenly tighten around the central flow path component of the fuel cell where a gas seal is required. In particular, under the operating conditions in which the temperature rise and fall are frequently repeated, the thin plate-like cell plate and the separator plate get swollen and the tightening performance deteriorates.
- the central structure of the fuel cell is applied to the stack structure formed by stacking a plurality of fuel cells.
- the quality of gas seal performance around road parts is very important.
- it is difficult to tighten evenly when there are a large number of stacks of fuel cells because the bolts for fixing the stacked fuel cells are arranged on the outer peripheral side.
- the cell plate and the separator plate constituting the fuel cell are both thin, even if the bolt is tightened on the outer periphery side away from the center of the fuel cell, The parts cannot be tightened well.
- the cell plate and the separator plate are stagnated due to the thermal expansion accompanying the temperature increase and decrease under the operating conditions in which the temperature increase and decrease are frequently repeated. There is a problem that it causes a decline in sex.
- the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its purpose is not only that unburned gas can be recovered, but also when starting and stopping, during transient operation, etc.
- the An object of the present invention is to provide a fuel cell stack structure in which gas sealability is hardly deteriorated and high reliability can be obtained even under conditions in which the tack temperature fluctuates frequently. Furthermore, an object of the present invention is to reduce the thickness of each cell plate and separator plate to achieve a low heat capacity while also improving the thermal shock resistance. It is to provide a fuel cell stack structure that can be used.
- a fuel cell stack structure includes a circular cell plate that holds a single cell and has a gas introduction hole and a gas discharge hole in a central portion, and a gas introduction hole in a central portion. And a circular separator plate having gas discharge holes and the entire outer periphery of which is joined to the outer periphery of the cell plate, and each gas introduction located between the central portions of the cell plate and the separator plate.
- the fuel gas and the gas discharge hole are provided in a space formed between the cell plate and the separator plate by providing a step along the outer periphery of at least one of the cell plate and the separator plate.
- a plurality of solid oxide fuel cells each having a central flow path component that supplies and discharges only one of air, and is interposed between the central portions of the stacked solid oxide fuel cells and faces each other
- a plurality of the solid electrolyte molds comprising: a sealant that hermetically communicates the gas introduction holes and the gas discharge holes; and a bolt that penetrates each central portion of the stacked solid oxide fuel cells.
- the fuel cells are stacked in the same direction, and the space between the stacked solid oxide fuel cells is set as a flow path for only the other of fuel gas and air, and the sealing material is interposed.
- the solid oxide fuel cells stacked while being fastened are fastened and fixed by the bolts.
- FIG. 1 is a perspective view showing an example of a fuel cell stack structure according to the present invention.
- FIG. 2 shows the fuel cell stack structure in FIG. 1, (a) is a cross-sectional view based on line A—A in FIG. 1, and (b) shows the fuel cell stack structure.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of a central portion of a solid oxide fuel cell, and (c) is a partial vertical cross-sectional view of the solid oxide fuel cell.
- FIG. 3 shows a solid oxide fuel cell constituting the fuel cell stack structure in FIG. It is a disassembled perspective view of a pond.
- FIG. 4 is a plan view of a cell plate showing an arrangement pattern of single cells of the solid oxide fuel cell constituting the fuel cell stack structure in FIG. 1.
- FIG. 5 is a cross-sectional view of the central portion of the solid oxide fuel cell, showing another example of arrangement of the sealing material of the fuel cell stack structure in FIG.
- FIG. 6 is a partial longitudinal sectional view showing another example of the configuration of the solid oxide fuel cell constituting the fuel cell stack structure in FIG. 1.
- FIG. 7 is a plan view of a cell plate showing another arrangement pattern of single cells of the solid oxide fuel cell constituting the fuel cell stack structure in FIG. 1.
- FIG. 8 shows another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention, (a) is a cross-sectional view based on the line AA in FIG. 1, and (b) is a fuel cell.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the central portion of the solid electrolyte fuel cell constituting the stack structure.
- FIG. 9 shows still another embodiment of the fuel cell stack structure of the present invention, (a) is a cross-sectional view based on the line A-A in Fig. 1, and (b) is a fuel cell stack structure.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of a central portion of a solid oxide fuel cell constituting a battery stack structure.
- the fuel cell stack structure of the present invention (hereinafter also simply referred to as a stack structure) is formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells (hereinafter also simply referred to as fuel cells) in the same direction. It is constituted by doing.
- the fuel cell is configured by joining a separator plate and a cell plate.
- the cell plate has a circular shape, and further holds a single cell and has a gas introduction hole and a gas discharge hole at the center.
- the separator plate is also circular, and further has a gas introduction hole and a gas discharge hole at the center.
- the outer peripheral edge of the separator plate is joined to the outer peripheral edge of the cell plate.
- At least one of the cell plate and the separator plate is provided with a step along the outer periphery thereof, and a space is formed between the cell plate and the separator plate by the step. ing.
- the gas introduction hole and the gas discharge hole of the cell plate and the separator plate are communicated with each other in the space formed between the two plates.
- Burning A central flow path component for supplying and discharging one of the gas and air is arranged.
- the space between the overlapping fuel cells is set as a flow path for the other of the fuel gas and air.
- a sealing material is provided between the central portions of the adjacent fuel cells so that the gas introduction holes and the gas discharge holes facing each other are in airtight communication.
- a plurality of stacked fuel cells are fastened and fixed with bolts penetrating the central portion of the fuel cell.
- each of the central portions of the adjacent fuel cells includes a sealing material that airtightly communicates gas introduction holes facing each other in a fuel cell and a sealing material that airtightly communicates gas discharge holes. It is installed in between. For this reason, the bolts penetrating the central portion of the fuel cell can uniformly transmit the pressure applied when the stacked fuel cells are fastened and fixed to each central portion of the fuel cell. As a result, even if the thickness of each central portion of the cell plate and separator plate is reduced in order to achieve a low heat capacity, creep deformation is less likely to occur during heating and cooling, and durability and thermal shock resistance are reduced. Will be improved.
- the seal material is not separately arranged around the gas introduction hole or the gas discharge hole! Since the structure can be taken, the arrangement area of the seal material and the arrangement length of the seal material are kept small. be able to. Therefore, even under conditions where the stack temperature fluctuates frequently, such as when starting and stopping and during transient operation, the gas seal performance is unlikely to deteriorate. In other words, the dead space in the central portion is reduced by the amount of restrictions on the shape of the gas exhaust hole, that is, the ratio of the area occupied by the central portion to the entire cell plate is reduced. This increases the effective power generation area of the cell plate and increases the power density.
- the outer peripheral edges of the metal cell plate and the metal separator plate are joined to each other, and at least one of the cell plate and the separator plate is joined.
- a step along the outer peripheral edge is provided on either one. Thereby, a bag-like space is formed between the cell plate and the separator plate, and only one of the fuel gas or air flows in this space.
- the thickness of the portion of the fuel cell where the central flow path component is provided is larger than the thickness of the single cell installation region of the fuel cell. This forms a spacer for providing a space between adjacent fuel cells. As a result, a flow path is formed between the stacked fuel cells for flowing the other gas of the fuel gas and air.
- the step is formed by a press carriage.
- welding and brazing can be used for joining the outer peripheries of the cell plate and the separator plate, and an ultrasonic joining method can also be used.
- the mounting position of the single cell in the fuel cell is set to a donut-shaped region between the center portion of the cell plate and the outer peripheral edge.
- One or more single cells can be fixed in this donut-shaped region.
- a single cell has a small-diameter disk shape, it is desirable to arrange it regularly around the center of the cell plate.
- the single cell has a donut shape, it is desirable to join the inner ring and the outer ring that have been pressed to the inner and outer peripheral edges of the single cell, respectively.
- a fan-shaped single cell to this frame, which may be formed as a frame by connecting the inner ring and the outer ring.
- the seal material disposed between the central portions of the fuel cells stacked on each other is adjacent to an electrically insulating ceramic adhesive or glass adhesive.
- An inorganic bonding material having a function of bonding fuel cells can be used.
- a conductive bonding material in which brazing material or metal powder is mixed.
- a paste-like sealing material containing the material is applied to the central portion of the fuel cell, and these fuel cells are stacked on each other. Bonding is possible by baking under pressure. Further, as the sealing material, a fiber, a thin plate, a ribbon, or a gasket including the granular or powdery material can be used. In other words, a ribbon-like or gasket-like sealing material can be joined by placing them in the center of the fuel cell and laminating them, followed by pressure firing.
- the material after depositing the material in a desired pattern in the center part of the fuel cell by a method such as vapor deposition, sputtering, thermal spraying, and aerosol deposition, the material becomes a bonding material composition. Bonding is also possible by stacking fuel cells and firing them under pressure. Furthermore, a sealing material can be installed between the central portions of adjacent fuel cells, and the sealing material can be pressurized at a softening temperature so as to fill the uneven gap between the central portions. Is possible.
- a bolt for fastening and fixing the stacked fuel cells as a bolt for fastening and fixing the stacked fuel cells, a long bolt screwed into a flange that sandwiches the stacked fuel cells or a long bolt screwed into a nut is used. can do.
- stud bolts can be used. When stud bolts are used, they can be used as positioning pins when stacking fuel cells, which has the advantage of simplifying stacking operations.
- the center hole formed at each center of the cell plate and the separator plate is one of the gas introduction hole and the gas discharge hole, and around the center hole.
- the plurality of formed gas holes are used as the other of the gas introduction hole and the gas discharge hole.
- the center hole It is possible to adopt a configuration in which the center side ring along the vicinity of the edge of the center hole and the edge side ring surrounding the plurality of gas holes with the body are seal materials.
- the center hole It is possible to adopt a configuration in which a center ring along the vicinity of the edge and a plurality of individual rings individually enclosing a plurality of gas holes are used as a sealing material.
- the shape of the plurality of gas holes formed around the central hole is not particularly limited, and may be a polygonal shape or a fan shape as well as a circular shape.
- the thermal shock resistance is improved. Further, since the shape of the plurality of gas holes formed around the center hole is not limited to a circular shape, the dead space at the center portion of the cell plate is reduced. As a result, the power density increases as the power generation effective area of the cell plate increases, and a low heat capacity is achieved to improve start-up performance and responsiveness during transient operation.
- the stack structure of the present invention may be configured to include a plurality of bolts for fastening and fixing the stacked fuel cells. In this case, it is possible to reduce the thermal stress applied to one piece, so that the heat resistance and thermal shock resistance of the bolt are improved.
- the stacked fuel cells are fastened and fixed with a plurality of bolts respectively inserted into a plurality of gas holes formed around each central hole of the cell plate and the separator plate. Can do.
- a fuel cell laminated with a plurality of bolts can be fastened and fixed without complicating the seal material arrangement pattern. For this reason, deformation due to thermal stress applied to the bolt can be prevented.
- the elastic member such as a pan panel for pressurizing in the stacking direction interposed between the bolt and the flange is not exposed to high temperature. It can be a structure (a flange structure with a low heat capacity). For this reason, the thermal shock resistance of the seal portion is improved, and the startability and responsiveness during transient operation are improved.
- the stack structure of the present invention a plurality of bolts respectively inserted around a plurality of bolt holes provided around the respective center holes of the cell plate and the separator plate and separately from the plurality of gas holes.
- the stacked fuel cells can be fastened and fixed.
- the fuel cell laminated with a plurality of bolts without complicating the seal material arrangement pattern can be fastened and fixed. Therefore, deformation due to thermal stress applied to the bolt can be prevented.
- the heat resistance of the seal part is reduced. As well as improving impact, start-up and response during transient operation will be improved.
- the stack structure of the present invention it is possible to adopt a configuration in which a fuel cell laminated with a single bolt threaded through each central hole of the cell plate and the separator plate is fastened and fixed. In this case, since the heat capacity of the bolt can be reduced, the startability and the response during transient operation are improved.
- 1 to 4 show an embodiment of the stack structure of the present invention.
- the stack structure 11 is formed by laminating a plurality of solid oxide fuel cells 1 in the same direction.
- the plurality of stacked fuel cells 1 are accommodated in the case 12 and both side forces are sandwiched between the flanges 13 and 14.
- the fuel cell 1 constituting the stack structure 11 includes a metal cell plate 2 and a metal separator plate 3 as shown in FIG.
- the cell plate 2 and the separator plate 3 are circular and have a thin plate shape. Further, the cell plate 2 has a gas introduction hole 21 and a gas discharge hole 22 in the central portion.
- the separator plate 3 also has a gas introduction hole 31 and a gas discharge hole 32 in the center portion. As shown in FIG. 2 (c), the cell plate 2 and the separator plate 3 are joined to each other in the state of facing each other. Furthermore, a current collector 4 is accommodated in a bag portion (space) S formed between the cell plate 2 and the separator plate 3. As the current collector 4, a conductive porous body can be used.
- a metal mesh or a metal foam can be used, and a textile or a felt of a fiber that also has metal and electrode material strength can be used.
- the current collector 4 can be joined to the cell plate 2 and the separator plate 3 at the periphery by laser welding.
- FIG. 2 (c) a cell plate 2 and a separator that are joined to face each other.
- circular convex steps 23 and 33 are formed which are concentric with the outer peripheral edge and project in a direction away from each other.
- the circular convex steps 23 and 33 function as a spacer as will be described later.
- the circular convex steps 23 and 33 are formed by pressing.
- annular steps 24 and 34 are formed concentrically with the outer peripheral edge and projecting in a direction approaching each other to form a space S.
- the annular steps 24 and 34 are respectively formed by press carriage.
- the gas introduction holes 21, 31 and the gas discharge holes 22, 32 are arranged at the circular convex steps 23, 33 of the cell plate 2 and the separator plate 3.
- a plurality of circular single cells 6 are fixed in a donut-shaped region between the central portion of the cell plate 2 and the outer peripheral edge.
- These single cells 6 may be any of an electrolyte support cell, an electrode support cell, and a porous support cell. That is, as the electrolyte supporting cell, a cell in which a force sword and an anode are provided on both surfaces of a solid electrolyte and the force sword and the anode are supported by the solid electrolyte can be used.
- the electrode-supporting cell a cell in which a solid electrolyte and a force sword are provided on the anode and the force sword and the solid electrolyte are supported by the anode can be used.
- the porous support type cell a force sword, a solid electrolyte and an anode provided on a porous plate and the force sword, the solid electrolyte and the anode supported by the porous plate can be used.
- the circular convex step 33 of the separator plate 3 is provided with a gas introduction channel 51 communicating with the gas introduction hole 31 and formed between the cell plate 2 and the separator plate 3.
- a flow path component 5a for supplying gas into the space S is accommodated.
- the circular convex step 23 of the cell plate 2 is provided with a gas discharge flow path 52 communicating with the gas discharge hole 22, and a flow path component 5 b for discharging the gas from the space S is accommodated.
- these flow path components 5a and 5b come into close contact with each other only with the pressing force of the entire stack structure 11 in a state where the fuel cell 1 is stacked to form the stack structure 11. Yes.
- the cell plate 2 and the separator plate 3 were SUS430 rolled plates having a thickness of 0.1 mm. Then, this rolled sheet was set in a press machine equipped with a die made of cemented carbide and SKD11 and subjected to a press work with a press load of 80 tons. The outer diameter of the cell plate 2 and separator plate 3 obtained by this press carriage is 125 mm and the step size. Both the circular convex steps 23 and 33 and the annular steps 24 and 34 are lmm, and laser welding was used to join the outer peripheral edges of the separators 2 and 3.
- SUS430 is also used for the flow path components 5a and 5b, and the cell plate 2 and the separator plate 3 are fixed by diffusion bonding in a vacuum at a bonding temperature of 1000 ° C or less. This is preventing the deformation of. Note that welding by laser welding using a YAG laser instead of diffusion bonding is also possible. At this time, since the cell plate 2 and the separator plate 3 are formed in a thin plate shape, the surface side force can be bonded even if the laser is irradiated. Further, the flow path pattern of the flow path components 5a and 5b can be formed by etching, grinding, or laser molding, and can also be formed by stacking and joining etched components.
- the stack structure 11 in this embodiment is formed by stacking the fuel cells 1 via a non-illustrated current collector having air permeability, and an air flow path 15 between the overlapping fuel cells 1. It is set as. That is, a current collector having a porous body and the like is provided in the flow path 15, and air is sent to the force sword of the single cell 6 through the current collector.
- the center hole formed at each center of the cell plate 2 and the separator plate 3 is used as the gas introduction holes 21 and 31, and a plurality of gas holes formed around the center hole are used as the gas discharge holes 22, 22. 32.
- gas introducing holes 21, 31 facing each other are airtight between the central portions of the fuel cell 1 and in the vicinity of the edge of the central hole.
- a center side ring (seal material) 16 is provided to communicate with.
- an edge ring (sealing material) between the central portions of the fuel cell 1 and around the plurality of gas holes integrally surrounds the plurality of gas discharge holes 22 and 32 facing each other. Is provided.
- the center-side ring 16 is formed by applying a paste-like glass-based bonding material containing a ceramic filler in the vicinity of the edge of the center hole of the fuel cell 1 and laminating the fuel cells 1 to each other, followed by pressure firing. As a result, a ring shape was formed.
- the edge ring 17 is also applied to the periphery of a plurality of gas holes of the fuel cell 1 with a paste-like glass-based bonding material containing the ceramic filler, so that the fuel cells 1 are connected to each other! After laminating the film, it was formed into a ring shape by pressure firing.
- the fuel cell 1 stacked via the center side ring 16 and the edge side ring 17 is fixed by a plurality of stud bolts 18.
- a plurality of stud bolts 18 are respectively passed through the plurality of gas discharge holes 22 and 32 of the cell plate 2 and the separator plate 3.
- one end of the stud bolt 18 is screwed into the flange 13.
- the nut 20 is screwed into the other end portion of the stud bolt 18 projecting outward from the flange 14 via the countersunk panel 19.
- a plurality of fuel cells 1 are fastened.
- the central side ring 16 that air-tightly communicates the gas introduction holes 21 and 31 facing each other in the adjacent fuel cell 1 and the gas discharge holes 22 and 32 are integrally surrounded and airtightly communicated.
- An edge ring 17 to be passed through is installed between the central portions of the fuel cell 1. Therefore, the pressure applied when the stacked fuel cells 1 are fastened and fixed by the stud bolts 18 can be evenly transmitted to each central portion of the fuel cell 1. As a result, even if the thickness of each central portion of the cell plate 2 and the separator plate 3 is reduced in order to achieve a low heat capacity, creep deformation is less likely to occur during the temperature rise and fall. Impact will be improved
- the center side ring 16 and the edge side ring 17 as sealing materials are arranged in a double ring shape. Therefore, it is not necessary to separately provide a sealing material around the gas introduction holes 21, 31 or the gas discharge holes 22, 32. Therefore, the seal distance is shortened, that is, the seal material arrangement area and the seal material arrangement length can be kept small, so that the gas seal performance is good even under conditions where the stack temperature fluctuates frequently, such as when starting and stopping or during transient operation. It becomes difficult to deteriorate.
- a plurality of stud bolts 18 respectively inserted into a plurality of gas discharge holes 22, 32 formed around each central hole of the cell plate 2 and the separator plate 3 are laminated. Fasten and fix the fuel cell 1 Therefore, deformation due to thermal stress applied to the stud bolt 18 can be prevented.
- the pan panel 19 for pressurizing in the stacking direction can be structured so as not to be exposed to high temperatures. As a result, the thermal shock resistance of the seal portion is improved, and the startability and response during transient operation are improved.
- the center side ring 16 along the vicinity of the edges of the gas introduction holes 21, 31 and the edge side ring 17 that integrally surrounds the gas discharge holes 22, 32 are sealed.
- it is a material, it is not limited to this.
- the center ring 16 along the vicinity of the edges of the gas introduction holes 21 and 31 and the individual rings 17A that individually surround the gas discharge holes 22 and 32 are sealed. It is good also as a material.
- the force that the cell plate 2 and the separator plate 3 have substantially the same shape is not limited to this.
- the cell plate 2 to which the single cell 6 is attached has a shape having only a circular convex step 23 and the separator plate 3 has an annular step 34 that is about twice as high as a normal one. May be included.
- the present invention is not limited to this.
- FIG. 7 (a) when the single cell 6A has a donut shape, the inner ring 7 and the outer ring 8 that have been pressed are joined to the inner and outer peripheral edges of the single cell 6A, respectively. Thereafter, the cell plate 2 and the separator plate 3 can be joined.
- the inner ring 7 and the outer ring 8 may be connected by vertical and horizontal bars 9 to form the frame 10. It is possible to attach a fan-shaped single cell 6B to the frame 10.
- the paste-like glass-based bonding material is used as the edge of the center hole in the fuel cell 1.
- the fuel cell 1 is applied in the vicinity of and around the plurality of gas holes, and the fuel cell 1 is stacked on top of each other, followed by pressure firing to form the center side ring 16 and the edge side ring 17.
- a sealing structure in which a sealing material formed in a ring shape and in a gasket shape is installed in the central portion of the fuel cell 1 and stacked on each other, and then pressed and fired to form a sealing structure.
- a gasket-like sealing material formed by compression molding a fiber or powder made of glass, ceramics, or metal is installed at the center of the fuel cell 1. Thereafter, after a plurality of fuel cells 1 are stacked on each other, they can be fired under pressure to be melted or compressed at a high temperature.
- a ring-shaped and foil-shaped sealing material that also includes a metal brazing filler metal can be placed at the center portion of the fuel cell 1 and laminated together, and then pressed and joined. Further, sealing can be performed by pressurizing at a temperature at which the metal of the sealing material is softened so as to fill the concave and convex gaps between the central portions of the adjacent fuel cells 1.
- FIG. 8 shows another embodiment of the stack structure of the present invention.
- this stack structure 111 differs from the previous stack structure 11 in that there are a plurality of surroundings around the gas introduction holes 21, 31 of the cell plate 2 and the separator plate 3.
- a plurality of bolt insertion holes 26 and 36 are provided.
- the stacked fuel cells 1 are fastened and fixed by inserting a plurality of bolts 118 through the plurality of bolt insertion holes 26 and 36.
- Other configurations of the stack structure 111 are the same as those of the previous stack structure 11.
- FIG. 8 (a) in this embodiment, first, a plurality of bolt insertion holes 26, 36 formed around the gas introduction holes 21, 31 of the cell plate 2 and the separator plate 3, respectively. Pass a plurality of bolts 118 through each. Thereafter, a plurality of fuel cells 1 are fastened by screwing the ends of the bolts 118 into the flanges 114 with the pan panel 119 interposed between the heads of the bolts 118 and the flanges 113.
- the fuel cell 1 laminated with a plurality of bolts 118 without complicating the seal material arrangement pattern is fastened. Can be fixed. Therefore, deformation due to thermal stress applied to the bolt 118 can be prevented.
- the thermal shock resistance of the seal is improved, and startability and transients are improved. Responsiveness during operation is improved.
- the gas guide path 113a and the gas air path 113b are provided in one flange 113 of the flanges 113 and 114 that sandwich the stacked fuel cell 1 from both sides. .
- the gas heat function can be given to the flange 113 portion, and as a result, the efficiency is improved.
- FIG. 9 shows still another embodiment of the stack structure of the present invention.
- this stack structure 211 is different from the previous stack structure 11 in that it passes through the gas introduction holes 21 and 31 of the cell plate 2 and the separator plate 3.
- the fuel cell 1 laminated with the bolts 218 is fastened and fixed.
- Other configurations of the stack structure 211 are the same as those of the previous stack structure 11.
- FIG. 9 (a) in this embodiment, first, a single bolt 218 of each gas introduction hole 21, 31 of the cell plate 2 and the separator plate 3 is passed through. Thereafter, the tip of the bolt 218 is screwed into the flange 214 with the countersunk panel 219 interposed between the head of the bolt 218 and the flange 213 in the vicinity of the gas introduction hole in the flange 213. As a result, the plurality of fuel cells 1 are fastened by the one bolt 218.
- the fuel cell stack structure of the present invention adopts the above-described configuration, even under conditions in which the stack temperature frequently fluctuates, such as during start / stop and transient operation, the gas sealability is unlikely to deteriorate. Reliability can be obtained. Furthermore, by recovering unburned gas, it is possible to avoid a decrease in fuel utilization. In addition, in order to achieve low heat capacity, cell plates and separators Even if the thickness of each plate is reduced, it is possible to prevent creep deformation at the time of raising and lowering the temperature of the stack structure, and as a result, improvement in thermal shock resistance can be realized. Furthermore, the power density can be increased by increasing the effective power generation area of the cell plate.
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Description
明 細 書
燃料電池スタック構造体
技術分野
[0001] 本発明は、複数の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体 に関するものである。
背景技術
[0002] 従来、複数の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体とし ては、米国特許第 6344290号明細書により開示されているものや、特開 2002— 15 1106号公報により開示されて 、るものがある。
発明の開示
[0003] 米国特許第 6344290号の燃料電池スタック構造体の場合、燃料ガス及び空気の 両方のガスを、セル板及びセパレータ板の各中心部分力も供給して、外周部分から 排出する。そのため、未燃焼ガスを回収することができない。その結果、過渡運転時 などのガス流が変化する場合には、燃料利用率が低下して発電効率が落ちる。さら に、この場合には、外周部分での燃焼が不安定になることで単セルに局所的な熱応 力が力かって破損してしまう恐れがある。
[0004] また、前記スタック構造体は、セル板及びセパレータ板を交互に積層して成る。そし て、セル板とセパレータ板の間に、燃料ガス導入孔用のシール材と空気導入孔用の シール材とを一段おきに配置するようにしている。このため、互いに積層したセル板 及びセパレータ板をボルトにより固定する際の加圧力を均等に伝えることができない
[0005] さらに、前記スタック構造体では、起動性及び過渡運転時などの応答性の向上や 起動時の加熱に要するエネルギーを低減して起動停止を含む総合効率の向上を目 的として、あるいは、スタックの積層密度を高めることによる出力密度の向上を目的と して、セル板及びセパレータ板の各中心部分の板厚を薄くすることで低熱容量化を 図ることがある。しかし、前記スタック構造体が昇降温を繰り返した場合、セル板及び セパレータ板の各中心部分とシール材との熱膨張率の違 ヽに起因する熱応力によつ
てクリープ変形が生じやすい。このため、ガスシール性が低下したり、単セル部分にク ラックなどの不具合が生じて耐久性及び耐熱衝撃性が低下したりしてしまう。
[0006] また、前記スタック構造体では、燃料ガス及び空気の両方をセル板及びセパレータ 板の各中心部分力 供給する。そのため、燃料ガス導入孔及び空気導入孔の形状 を、気密性を保持するうえで最も適した円形孔とする必要があるうえ、燃料ガス導入 孔及び空気導入孔を個別にシールする必要がある。従って、セル板全体に対する中 心部分が占める面積の割合が大きくなつて、セル板の発電有効面積が小さくなると共 に、シールする距離が長くなつてしまうという問題がある。
[0007] 一方、特開 2002— 151106号の燃料電池スタック構造体の場合、燃料電池が袋 構造を成している。そのため、未燃焼ガスを回収することができる。このスタック構造 体では、円形であるセル板とリング状であるセパレータ板力 成る複数の燃料電池を 、各々の外周側に配置した軸心方向のボルトにより固定する。このため、ガスシール が要求される燃料電池の中央流路部品周りを均等に締付けることが困難である。特 に昇降温を頻繁に繰り返す運転条件下において、薄板状のセル板ゃセパレータ板 が橈んでしま 、、締め付け性が低下してしまうと!、う問題がある。
[0008] 詳述すれば、複数の燃料電池を積層して成る前記スタック構造体にぉ 、て、起動 停止時や過渡運転時などの昇降温を頻繁に繰り返す際には、燃料電池の中央流路 部品周りにおけるガスシール性能の良否が非常に重要である。しかし、積層した複数 の燃料電池を固定するボルトをその外周側に配置して ヽる都合上、燃料電池の積層 段数が多い場合には、均等に締付けることが難しい。特に、燃料電池を構成するセ ル板及びセパレータ板がいずれも薄板状を成しているときには、燃料電池の中心か ら遠 、外周側でボルト締めを行つたとしても、燃料電池の中央流路部品周りを良好に 締付けることができない。そして、このような外周側締付け構造のスタック構造体にあ つては、昇降温を頻繁に繰り返す運転条件下において、この昇降温に伴う熱膨張に よってセル板ゃセパレータ板が橈んでしま 、、締め付け性の低下を招 、てしてしまう という問題がある。
[0009] 本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、未 燃焼ガスを回収することができるのは勿論のこと、起動停止時や過渡運転時などのス
タック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難く高い信頼 性を得ることができる燃料電池スタック構造体を提供することにある。さらに本発明の 目的は、セル板及びセパレータ板の各板厚を薄くして低熱容量化を図りつつ耐熱衝 撃性の向上をも実現することが可能であり、カロえて、出力密度を高めることができる燃 料電池スタック構造体を提供することにある。
[0010] 本発明の態様に係る燃料電池スタック構造体は、単セルを保持していると共に中心 部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状のセル板と、中心部分にガス導 入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁全体を前記セル板の外周縁に接合させ た円形状のセパレータ板と、前記セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置し て各々の前記ガス導入孔及びガス排出孔と連通し、さらに前記セル板及びセパレー タ板の少なくとも何れか一方にその外周縁に沿う段差を設けることで前記セル板及び セパレータ板の間に形成される空間内に、燃料ガス及び空気の何れか一方のみの 供給及び排出を行う中央流路部品と、を具備した複数の固体電解質型燃料電池と、 積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分間に介在し、互いに対向する 前記ガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材と、積層さ れた前記固体電解質型燃料電池の各中心部分を貫通するボルトと、を備え、複数の 前記固体電解質型燃料電池は、いずれも向きを同じにして積層されており、積層さ れた前記固体電解質型燃料電池の間を、燃料ガス及び空気の他方のみの流路とし て設定し、前記シール材を介在させつつ積層された前記固体電解質型燃料電池を 、前記ボルトで締結して固定することを特徴とする。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]図 1は、本発明の燃料電池スタック構造体における一実施例を示す斜視図であ る。
[図 2]図 2は、図 1における燃料電池スタック構造体を示し、(a)は、図 1の A— A線に 基づく断面図であり、 (b)は、燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料 電池の中心部分における横断面図であり、(c)は、固体電解質型燃料電池の部分縦 断面図である。
[図 3]図 3は、図 1における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電
池の分解斜視図である。
[図 4]図 4は、図 1における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電 池の単セルの配置パターンを示すセル板の平面図である。
[図 5]図 5は、図 1における燃料電池スタック構造体のシール材の他の配置例を示す 、固体電解質型燃料電池の中心部分における横断面図である。
[図 6]図 6は、図 1における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電 池の他の構成例を示す部分縦断面図である。
[図 7]図 7は、図 1における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電 池の単セルの他の配置パターンを示すセル板の平面図である。
[図 8]図 8は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示し、(a)は、図 1の A— A線に基づく断面図であり、 (b)は、燃料電池スタック構造体を構成する固体電 解質型燃料電池の中心部分における横断面図である。
[図 9]図 9は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示し、(a)は、 図 1の A— A線に基づく断面図であり、 (b)は、燃料電池スタック構造体を構成する固 体電解質型燃料電池の中心部分における横断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0012] 本発明の燃料電池スタック構造体 (以下、単にスタック構造体ともいう。 )は、複数の 固体電解質型燃料電池 (以下、単に燃料電池ともいう。)をいずれも向きを同じにして 積層することにより構成される。前記燃料電池は、セパレータ板と、セル板とを接合す ることにより構成される。前記セル板は円形状であり、さらに単セルを保持していると 共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する。前記セパレータ板も円形状で あり、さらに中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する。前記セパレータ板の外 周縁は、前記セル板の外周縁と接合されている。
[0013] さらに、前記セル板及びセパレータ板のうちの少なくとも何れか一方には、その外 周縁に沿う段差が設けられており、この段差により前記セル板とセパレータ板との間 に空間が形成されている。
[0014] また、前記セル板及びセパレータ板の各中心部分間には、前記セル板及びセパレ ータ板のガス導入孔及びガス排出孔と連通し、両板間に形成される前記空間内に燃
料ガス及び空気のうちの一方の供給及び排出を行う中央流路部品を配置して 、る。
[0015] 本発明のスタック構造体では、互いに重なり合う燃料電池の間を燃料ガス及び空気 のうちの他方のガスの流路として設定する。さらに、前記スタック構造体では、隣り合う 燃料電池の各中心部分間に、互いに対向するガス導入孔同士及びガス排出孔同士 を気密的に連通させるシール材が設けられている。また。前記スタック構造体では、 積層した複数の燃料電池を、前記燃料電池の中心部分を貫通するボルトで締結して 固定している。
[0016] 本発明のスタック構造体では、前記燃料電池のセル板とセパレータ板との間に形成 される空間内に、燃料ガス及び空気のうちの一方のみを流すようにしている。そのた め、空気と混合せずに未燃焼ガスを回収し得ることとなる。従って、過渡運転時など のガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがなぐ加え て、単セルに局所的な熱応力が力かって不具合が生じる可能性が少なくなる。
[0017] また、燃料電池の互いに対向するガス導入孔同士を気密的に連通させるシール材 と、ガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材とが、いずれも隣り合う燃料電池 の各中心部分間に設置してある。そのため、燃料電池の中心部分を貫通するボルト により、互いに積層した燃料電池を締結して固定する際の加圧力を、燃料電池の各 中心部分に均等に伝え得ることとなる。その結果、低熱容量ィ匕を図るためにセル板 及びセパレータ板の各中心部分の板厚を薄くしたとしても、昇降温の際にはクリープ 変形が生じ難くなつて、耐久性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。
[0018] さらに、本発明では、ガス導入孔あるいはガス排出孔の周囲に個別にシール材を 配置しな!、構造をとり得るので、シール材の配置面積やシール材の配置長さを小さく 抑えることができる。そのため、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁 に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難いものとなる。カロえて、ガス排 出孔の形状の制約が少なくなる分だけ中心部分のデッドスペースが小さくなる、すな わち、セル板全体に対する中心部分が占める面積の割合が小さくなる。そのため、セ ル板の発電有効面積が拡大して出力密度が高まる。
[0019] 本発明のスタック構造体の燃料電池では、金属製のセル板及び金属製のセパレー タ板の各外周縁同士を接合し、さらに、セル板及びセパレータ板のうちの少なくとも
何れか一方に外周縁に沿う段差を設ける。これにより、セル板とセパレータ板との間 に袋状の空間を形成され、この空間内に燃料ガス若しくは空気の何れか一方のみが 流れる。
[0020] また、本発明のスタック構造体において、燃料電池内の前記中央流路部品が設け られている部分の厚さを、燃料電池の単セル設置領域の厚さよりも大きくする。これに より、隣り合う燃料電池の間に空間を設けるためのスぺーサが形成される。その結果 、積層した燃料電池の間に、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流す流路が形 成される。
[0021] 前記袋構造の燃料電池を積層して成るスタック構造体では、自動車に搭載した場 合において、外部衝撃が加わったとしても、ガス漏洩の可能性が少ないものとなる。
[0022] なお、前記段差をセル板及びセパレータ板の双方に形成して互いに対称を成すよ うにすれば、応力集中を抑制し得ることとなる。この際、セル板とセパレータ板の段差 の大きさを相互に変化させたとしても、段差を設けたことによる燃料電池の強度の向 上を期待できる。また、段差をセル板及びセパレータ板の一方に形成した場合には、 単セルの搭載面積を拡大することができる。このように、耐熱衝撃性の向上や出力密 度の向上など重視する特性に応じて、セル板及びセパレータ板の形状を変更し得る
[0023] さらに、前記段差はプレスカ卩ェにより形成することが望ましい。また、セル板及びセ パレータ板の各々の外周縁同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができる ほか超音波接合法なども用いることができる。
[0024] 本発明のスタック構造体では、燃料電池内における単セルの取付位置を、セル板 の中心部分と外周縁との間のドーナツ状を成す領域に設定する。そして、このドーナ ッ状を成す領域内に単セルを 1つ以上固定することができる。例えば、単セルが小径 の円板状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。ま た、単セルがドーナツ状を成す場合は、単セルの内周縁及び外周縁に、プレス加工 済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、前記内側 リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよぐこのフレームに扇 形の単セルを貼り付けることも可能である。
[0025] 本発明のスタック構造体において、互いに積層した燃料電池の各中心部分間に配 置されるシール材としては、電気絶縁性を有するセラミックス系接着剤やガラス系接 合材など、隣り合う燃料電池同士を接合する機能を有する無機系接合材を使用する ことができる。そのほか、例えば、単セルがドーナツ状を成す場合は、ろう材ゃ金属粉 を混在した導電性接合材を使用することができる。
[0026] シール材によって隣り合う燃料電池同士を接合する場合には、まず、前記材料を含 有したペースト状のシール材を燃料電池の中心部分に塗布し、これらの燃料電池を 互いに積層した後、加圧焼成することで接合可能である。また、シール材として、繊 維状や薄板状やリボン状に成形されたもの、あるいは、粒体状や粉体状の前記材料 を含んでガスケット状に成形されたものも使用できる。つまり、リボン状やガスケット状 のシール材を、燃料電池の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成するこ とでも接合可能である。
[0027] さらに、燃料電池の中心部分に、蒸着法、スパッタ法、溶射法及びエアロゾルデポ ジッシヨン法などの方法により、前記材料を接合材組成になるようにして所望パターン で成膜した後、互いに燃料電池を積層し、加圧焼成することでも接合可能である。さ らにまた、隣り合う燃料電池の各中心部分間にシール材を設置し、このシール材が 軟ィ匕する温度で加圧して中心部分間の凹凸状の隙間を埋めるように成すことでもシ ールが可能である。
[0028] 本発明のスタック構造体において、積層した燃料電池を締結して固定するボルトと しては、積層した燃料電池を両側力 挟み込むフランジにねじ込む長ボルトや、ナツ トにねじ込む長ボルトを使用することができる。そのほか、スタッドボルトを用いること ができる。スタッドボルトを用いた場合には、燃料電池の積層時において位置決めピ ンとして使用することができるので、積層作業が簡単になるというメリットがある。
[0029] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心 孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちの何れか一方の孔とすると共に、中心孔の周 囲に形成した複数のガス孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちの何れか他方の孔と する。この場合、中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リング及び複数のガス孔をー 体で囲む縁側リングをシール材とした構成を採用することができる。また、中心孔の
縁の近傍に沿わせた中心側リング及び複数のガス孔を個々に囲む複数の個別リング をシール材とした構成を採用することができる。この際、中心孔の周囲に形成した複 数のガス孔の形状は、特に限定されるものではなぐ円形状は勿論のこと、多角形状 や扇方形状を採用し得る。
[0030] また、中心側リング及び縁側リング (ある!/、は個別リング)を円形状のものとすると、 耐熱衝撃性が向上することとなる。また、中心孔の周囲に形成した複数のガス孔の形 状は、円形状に限定されないので、セル板の中心部分のデッドスペースが小さくなる 。これにより、セル板の発電有効面積が大きくなる分だけ出力密度が高まると共に、 低熱容量ィ匕が図られて起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる
[0031] 本発明のスタック構造体では、積層した燃料電池を締結して固定するボルトを複数 本備えている構成とすることができる。この場合には、一本に力かる熱応力を小さくす ることができるので、ボルトの耐熱性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。
[0032] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲に形成 した複数のガス孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで、積層した燃料電池を締結 して固定することができる。この場合には、シール材配置パターンを複雑にすることな ぐ複数のボルトで積層した燃料電池を締結して固定し得る。このため、ボルトにかか る熱応力による変形を防止することができる。
[0033] カロえて、積層した燃料電池を両側カゝらフランジで挟み込む場合にぉ 、て、ボルトと フランジとの間に介在させた積層方向加圧用の皿パネなどの弾性部材を高温に曝さ ない構造 (熱容量が低いフランジ構造)とし得る。このため、シール部分の耐熱衝撃 性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上する。
[0034] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲で且つ 複数のガス孔とは別に設けた複数のボルト揷通孔にそれぞれ挿通した複数本のボル トで、積層した燃料電池を締結して固定することができる。この場合にも、シール材配 置パターンを複雑にすることなぐ複数のボルトで積層した燃料電池を締結して固定 し得る。そのため、ボルトにかかる熱応力による変形を防止することができる。さらに、 積層した燃料電池を両側からフランジで挟み込む場合にぉ ヽて、シール部分の耐熱
衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することと なる。
[0035] そして、このスタック構造体では、積層した燃料電池を両側力もフランジで挟み込む 場合において、一方のフランジにガス導入管及びガス排気管を取り付け得る。そのた め、このフランジ部分にガス熱交 能を持たせることができ、その結果、効率の向 上が図られることとなる。
[0036] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心孔に揷通した一 本のボルトで積層した燃料電池を締結して固定する構成を採用することができる。こ の場合には、ボルトの熱容量分を低減することができるので、起動性及び過渡運転 時における応答性が向上することとなる。
[0037] 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限 定されるものではない。
[0038] 図 1〜図 4は、本発明のスタック構造体の一実施例を示している。
[0039] 図 1及び図 2中の(a)に示すように、このスタック構造体 11は、複数の固体電解質型 燃料電池 1をいずれも向きを同じにして積層されている。そして、この積層した複数の 燃料電池 1をケース 12に収容して両側力もフランジ 13, 14で挟み込んでいる。
[0040] このスタック構造体 11を構成する燃料電池 1は、図 3に示すように、金属製セル板 2 と、金属製セパレータ板 3を備えている。セル板 2及びセパレータ板 3は、円形であり 且つ薄板状を成している。さらにセル板 2は、中心部分にガス導入孔 21及びガス排 出孔 22を有する。また、セパレータ板 3も、中心部分にガス導入孔 31及びガス排出 孔 32を有する。図 2の(c)に示すように、これらのセル板 2及びセパレータ板 3は、互 いに対向した状態で各々の外周縁同士を接合させてある。さらに、セル板 2及びセパ レータ板 3間に形成される袋部分 (空間) Sには、集電体 4が収容してある。集電体 4と しては導電性の多孔体を使用することができる。例えば、金属メッシュや発泡金属体 を用いることができるほか、金属や電極材料力もなる繊維の織物やフェルトなどを使 用することができる。集電体 4は、セル板 2及びセパレータ板 3に対してその周縁をレ 一ザ溶接により接合できる。
[0041] 図 2の(c)に示すように、互いに対向した状態で接合するセル板 2及びセパレータ
板 3の各中心部分には、外周縁と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出する 円形凸状段差 23, 33が形成されている。この円形凸状段差 23, 33は、後述するよう にスぺーサとして機能する。円形凸状段差 23, 33は、プレス加工によってそれぞれ 形成してある。セル板 2及びセパレータ板 3の各外周縁には、この外周縁と同心状を 成し且つ互いに接近する方向に突出して空間 Sを形成するための環状段差 24, 34 が形成されている。環状段差 24, 34は、プレスカ卩ェによってそれぞれ形成してある。 前記ガス導入孔 21, 31及びガス排出孔 22, 32は、セル板 2及びセパレータ板 3の 各円形凸状段差 23, 33に配置されている。
[0042] また、図 4に示すように、セル板 2の中心部分と外周縁との間のドーナツ状を成す領 域には、円形状を成す単セル 6が複数個固定してある。これらの単セル 6は、電解質 支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。つまり 、電解質支持型セルとしては、固体電解質の両面に力ソード及びアノードを設け、固 体電解質により力ソード及びアノードを支持したものを用いることができる。また、電極 支持型セルとしては、アノード上に固体電解質及び力ソードを設け、アノードにより力 ソード及び固体電解質を支持したものを用いることができる。さらに、多孔質支持型セ ルとしては、多孔質板上に、力ソード、固体電解質及びアノードを設け、多孔質板に より力ソード、固体電解質及びアノードを支持したものを用いることができる。
[0043] さらに、図 3に示すように、セパレータ板 3の円形凸状段差 33には、ガス導入孔 31 と連通するガス導入流路 51を具備し、セル板 2及びセパレータ板 3間に形成される空 間 S内に対するガス供給行う流路部品 5aが収容してある。また、セル板 2の円形凸状 段差 23には、ガス排出孔 22と連通するガス排出流路 52を具備し、前記空間 Sからの ガス排出を行う流路部品 5bが収容してある。これらの流路部品 5a, 5bは、後述する ように、燃料電池 1を積層してスタック構造体 11を形成した状態において、スタック構 造体 11全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。
[0044] この実施例において、セル板 2及びセパレータ板 3には、肉厚が 0. 1mmの SUS4 30の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及び SKD11から成る金型を装備 したプレス装置にセットして、 80トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。この プレスカ卩ェにより得られたセル板 2及びセパレータ板 3の外径は 125mm、段差寸法
は円形凸状段差 23, 33及び環状段差 24, 34ともに lmmであり、両セパレータ 2, 3 の各外周縁同士の接合には、レーザ溶接を用いた。
[0045] 一方、流路部品 5a, 5bにも SUS430を用い、セル板 2及びセパレータ板 3に対して は、接合温度を 1000°C以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変 形を防いでいる。なお、拡散接合に代えて YAGレーザを用いたレーザ溶接による接 合も可能である。この際、セル板 2及びセパレータ板 3が薄板状を成していることから 、表側力もレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品 5a, 5bの流路 パターンは、エッチングや研削加工やレーザカ卩ェにより形成することができるほか、 エッチング部品を積層して接合することによつても形成することができる。
[0046] この実施例におけるスタック構造体 11は、通気性のある図示しない集電体を介して 前記燃料電池 1を積層して成っており、互いに重なり合う燃料電池 1の間を空気の流 路 15として設定している。つまり、多孔質体等力 なる集電体が流路 15に設けられて おり、集電体を通じて空気が単セル 6の力ソードに送られる。
[0047] この場合、セル板 2及びセパレータ板 3の各中心に形成した中心孔をガス導入孔 2 1, 31とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数のガス孔をガス排出孔 22, 32とし ている。
[0048] 図 2の(a)及び (b)に示すように、燃料電池 1の各中心部分間で且つ中心孔の縁の 近傍には、互いに対向するガス導入孔 21, 31同士を気密的に連通させる中心側リ ング (シール材) 16が設けてある。さらに、燃料電池 1の各中心部分間で且つ複数の ガス孔の周囲には、互いに対向する複数のガス排出孔 22, 32同士を一体で囲んで 気密的に連通させる縁側リング (シール材) 17が設けてある。
[0049] 中心側リング 16は、セラミックスフイラを含有したペースト状のガラス系接合材を燃 料電池 1の中心孔の縁の近傍に塗布し、燃料電池 1を互いに積層した後、加圧焼成 することでリング状に形成した。一方、縁側リング 17も、前記セラミックスフイラを含有 したペースト状のガラス系接合材を燃料電池 1の複数のガス孔の周囲に塗布し、燃 料電池 1を互!ヽに積層した後、加圧焼成することでリング状に形成した。
[0050] そして、図 2の(a)及び (b)に示すように、中心側リング 16及び縁側リング 17を介し て積層した燃料電池 1は、複数本のスタッドボルト 18により固定される。この実施例に
おいて、セル板 2及びセパレータ板 3の複数のガス排出孔 22, 32に、複数本のスタツ ドボルト 18がそれぞれ揷通されている。そして、スタッドボルト 18の一端部をフランジ 13にねじ込む。さらに、フランジ 14力も外部に突出するスタッドボルト 18の他端部に 、皿パネ 19を介してナット 20をねじ込む。これにより、複数の燃料電池 1を締結する。
[0051] このスタック構造体 11において、図 1及び図 2に示すように、ケース 12に空気を導 入すると、隣り合う燃料電池 1の間、すなわち、力ソード側の流路 15に空気が流れる。 一方、燃料ガスは、フランジ 13及び燃料電池 1の各ガス導入孔 21, 31を通して、セ ル板 2及びセパレータ板 3間に形成される各空間 S内に導入される。その後、前記空 間 S内を流れた後、各ガス排出孔 22, 32及びフランジ 14を通して排気される。
[0052] 前記スタック構造体 11では、燃料電池 1のセル板 2及びセパレータ板 3の間に形成 される空間 S内に燃料ガスのみを流すようにしているので、未燃焼ガスを回収し得る。 従って、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低 下することがない。カロえて、単セル 6に局所的な熱応力が力かって不具合が生じる可 能性が少なくなる。
[0053] また、隣接する燃料電池 1の互いに対向するガス導入孔 21, 31同士を気密的に連 通させる中心側リング 16と、ガス排出孔 22, 32同士を一体で囲んで気密的に連通さ せる縁側リング 17とが、いずれも燃料電池 1の各中心部分間に設置してある。そのた め、積層した燃料電池 1をスタッドボルト 18により締結して固定する際の加圧力を、燃 料電池 1の各中心部分に均等に伝え得ることとなる。その結果、低熱容量ィ匕を図るう えでセル板 2及びセパレータ板 3の各中心部分の板厚を薄くしたとしても、昇降温の 際にはクリープ変形が生じ難くなつて、耐久性及び耐熱衝撃性が向上することとなる
[0054] さらに、前記スタック構造体 11では、図 2の(b)に示すように、シール材としての中 心側リング 16及び縁側リング 17を二重リング状に配置している。そのため、ガス導入 孔 21, 31あるいはガス排出孔 22, 32の周囲に個別にシール材を配置しなくて済む 。従って、シール距離が短くなる、すなわち、シール材配置面積やシール材配置長さ を小さく抑え得るので、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動 する条件においても、ガスシール性が劣化し難いものとなる。カロえて、セル板 2及び
セパレータ板 3の各中心部分に設けるガス排出孔 22, 32の形状の制約が少なくなり 、その分だけ中心部分のデッドスペースが小さくなる、すなわち、セル板 2全体に対 する中心部分が占める面積の割合が小さくなる。そのため、セル板 2の発電有効面 積が拡大して出力密度が高まることとなる。
[0055] さらにまた、前記スタック構造体 11において、セル板 2及びセパレータ板 3の各中心 孔の周囲に形成した複数のガス排出孔 22, 32にそれぞれ挿通した複数本のスタッド ボルト 18で、積層した燃料電池 1を締結して固定する。そのため、スタッドボルト 18に 力かる熱応力による変形を防止することができる。カロえて、積層方向に加圧するため の皿パネ 19を高温に曝さない構造とし得る。そのため、シール部分の耐熱衝撃性が 向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。
[0056] 前記実施例のスタック構造体 11では、ガス導入孔 21, 31の縁近傍に沿わせた中 心側リング 16と、ガス排出孔 22, 32同士を一体で囲む縁側リング 17とをシール材と しているが、これに限定されるものではない。例えば、図 5に示すように、ガス導入孔 2 1, 31の縁近傍に沿わせた中心側リング 16と、複数のガス排出孔 22, 32を個々に囲 む複数の個別リング 17Aとをシール材としてもよい。
[0057] また、前記実施例のスタック構造体 11の燃料電池 1では、セル板 2及びセパレータ 板 3が互いにほぼ同一形状を成している力 これに限定されるものではない。例えば 、図 6に示すように、単セル 6を取り付けるセル板 2が円形凸状段差 23のみを有する 形状を成し且つセパレータ板 3が通常の約二倍の高さの環状段差 34を有する形状 を成していてもよい。
[0058] さらに、この実施例では、単セル 6が小径の円板状を成す場合を示したが、これに 限定されるものではない。例えば、図 7の(a)に示すように、単セル 6Aがドーナツ状を 成す場合には、単セル 6Aの内周縁及び外周縁にプレス加工済の内側リング 7及び 外側リング 8をそれぞれ接合し、その後、このセル板 2とセパレータ板 3を接合すること ができる。この際、接合時の作業性を考慮して、図 7の (b)に示すように、内側リング 7 及び外側リング 8を縦横の桟 9で連結してフレーム 10を形成するようにしてもよぐこ のフレーム 10に扇形の単セル 6Bを取り付けることも可能である。
[0059] 前記実施例では、ペースト状のガラス系接合材を燃料電池 1における中心孔の縁
の近傍及び複数のガス孔の周囲にそれぞれ塗布し、燃料電池 1を互 ヽに積層した後 、加圧焼成することで中心側リング 16及び縁側リング 17を形成するようにして ヽるが 、これに限定されるものではない。例えば、リング状で且つガスケット状に成形された シール材を燃料電池 1の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成して接合 するシール構造としてもよい。具体的には、ガラスやセラミックスや金属から構成され るファイバ又は粉体を圧縮成形して成るガスケット状のシール材を、燃料電池 1の中 心部分に設置する。その後、複数の燃料電池 1を互いに積層した後、加圧焼成して 溶融させたり高温圧縮したりすることができる。
[0060] また、金属ろう材カも成るリング状で且つ箔状のシール材を燃料電池 1の中心部分 に設置して互いに積層した後、加圧して接合することができる。また、前記シール材 の金属が軟化する温度で加圧することにより、隣接する燃料電池 1の各中心部分間 の凹凸状の隙間を埋めるように成すことでもシールが可能である。
[0061] 図 8は、本発明のスタック構造体の他の実施例を示している。図 8の(b)に示すよう に、このスタック構造体 111が先のスタック構造体 11と相違するところは、セル板 2及 びセパレータ板 3の各ガス導入孔 21, 31の周囲で且つ複数のガス排出孔 22, 32と は別に、複数のボルト揷通孔 26, 36を設けたことにある。そして、複数のボルト揷通 孔 26, 36に複数本のボルト 118を挿通させることにより、積層した燃料電池 1を締結 して固定している。スタック構造体 111の他の構成は、先のスタック構造体 11と同じで ある。
[0062] 図 8の(a)に示すように、この実施例では、まず、セル板 2及びセパレータ板 3の各 ガス導入孔 21, 31の周囲に形成した複数のボルト揷通孔 26, 36に複数本のボルト 118をそれぞれ揷通する。その後、ボルト 118の頭部とフランジ 113との間に皿パネ 1 19を介在させた状態で、ボルト 118の先端をフランジ 114にねじ込むことにより、複 数の燃料電池 1を締結する。
[0063] この実施例では、前記スタック構造体 11と同じ作用効果が得られるのに加えて、シ ール材配置パターンを複雑にすることなぐ複数のボルト 118で積層した燃料電池 1 を締結して固定し得る。そのため、ボルト 118にかかる熱応力による変形を防止する ことができる。さらに、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡
運転時における応答性が向上する。
[0064] そして、このスタック構造体 111では、積層した燃料電池 1を両側から挟み込むフラ ンジ 113, 114のうちの一方のフランジ 113に、ガス導人路 113a及びガス 気路 11 3bを設けている。このため、フランジ 113部分にガス熱交 能を持たせることがで き、その結果、効率の向上が図られる。
[0065] 図 9は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示している。図 9の(b)に示 すように、このスタック構造体 211が先のスタック構造体 11と相違するところは、セル 板 2及びセパレータ板 3の各ガス導入孔 21 , 31に揷通した一本のボルト 218で積層 した燃料電池 1を締結して固定した点にある。スタック構造体 211の他の構成は、先 のスタック構造体 11と同じである。
[0066] 図 9の(a)に示すように、この実施例では、まず、セル板 2及びセパレータ板 3の各 ガス導入孔 21, 31〖こ一本のボルト 218を揷通する。その後、フランジ 213内のガス導 入孔の近傍において、ボルト 218の頭部とフランジ 213との間に皿パネ 219を介在さ せた状態で、ボルト 218の先端をフランジ 214にねじ込む。これにより、複数の燃料 電池 1がー本のボルト 218により締結される。
[0067] この実施例においても、前記スタック構造体 11と同じ作用効果が得られるのにカロえ て、ボルトの熱容量分を低減することができるので、起動性及び過渡運転時における 応答性が向上することとなる。
[0068] 特願 2005— 314932号(出願曰:2005年 10月 28曰)及び特願 2006— 264443 号(出願日: 2006年 9月 28日)の全内容は、ここに援用される。
[0069] 以上、実施の形態及び実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれ らの記載に限定されるものではなぐ種々の変形及び改良が可能であることは、当業 者には自明である。
産業上の利用の可能性
[0070] 本発明の燃料電池スタック構造体は前記構成をとるため、起動停止時や過渡運転 時などのスタック温度が頻繁に変動する条件にお!、ても、ガスシール性が劣化し難く 高い信頼性を得ることができる。さら〖こ、未燃焼ガスを回収することで、燃料利用率の 低下を回避することができる。また、低熱容量ィ匕を図るためにセル板及びセパレータ
板の各板厚を薄くしたとしても、スタック構造体の昇降温の際のクリープ変形を防ぐこ とができ、その結果、耐熱衝撃性の向上を実現することができる。さらに、セル板の発 電有効面積を大きくすることで、出力密度を高めることができる。
Claims
[1] 単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形 状のセル板と、中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁全体 を前記セル板の外周縁に接合させた円形状のセパレータ板と、前記セル板及びセ パレータ板の各中心部分間に位置して各々の前記ガス導入孔及びガス排出孔と連 通し、さらに前記セル板及びセパレータ板の少なくとも何れか一方にその外周縁に 沿う段差を設けることで前記セル板及びセパレータ板の間に形成される空間内に、 燃料ガス及び空気の何れか一方のみの供給及び排出を行う中央流路部品と、を具 備した複数の固体電解質型燃料電池と、
積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分間に介在し、互いに対向す る前記ガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材と、 積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分を貫通するボルトと、を備え 複数の前記固体電解質型燃料電池は、いずれも向きを同じにして積層されており、 積層された前記固体電解質型燃料電池の間を、燃料ガス及び空気の他方のみの 流路として設定し、
前記シール材を介在させつつ積層された前記固体電解質型燃料電池を、前記ボ ルトで締結して固定することを特徴とする燃料電池スタック構造体。
[2] 前記セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔を前記ガス導入孔及び ガス排出孔の何れか一方とすると共に、前記中心孔の周囲に設けた複数のガス孔を 前記ガス導入孔及びガス排出孔の何れか他方とし、
前記シール材は、前記中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リングと、複数の前記 ガス孔を一体で囲む縁側リングと、力 なることを特徴とする請求項 1に記載の燃料 電池スタック構造体。
[3] 前記セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔を前記ガス導入孔及び ガス排出孔の何れか一方とすると共に、前記中心孔の周囲に設けた複数のガス孔を 前記ガス導入孔及びガス排出孔の何れか他方とし、
前記シール材は、前記中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リングと、複数の前記
ガス孔を個々に囲む複数の個別リングと、力 なることを特徴とする請求項 1に記載の 燃料電池スタック構造体。
[4] 前記シール材が隣り合う前記固体電解質型燃料電池同士を接合する機能を有して
Vヽ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構造体。
[5] 積層した前記固体電解質型燃料電池を締結して固定する前記ボルトを複数本備え て 、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構造体。
[6] 複数の前記ガス孔にそれぞれ挿通した複数の前記ボルトで、積層した前記固体電 解質型燃料電池を締結して固定することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池ス タック構造体。
[7] 前記セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲で且つ前記ガス孔とは別に設け た複数のボルト揷通孔にそれぞれ挿通した複数本の前記ボルトで、積層した前記固 体電解質型燃料電池を締結して固定することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電 池スタック構造体。
[8] 前記セル板及びセパレータ板の各中心孔に揷通した一本の前記ボルトで、積層し た前記固体電解質型燃料電池を締結して固定することを特徴とする請求項 2に記載 の燃料電池スタック構造体。
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