WO2017208904A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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WO2017208904A1
WO2017208904A1 PCT/JP2017/019206 JP2017019206W WO2017208904A1 WO 2017208904 A1 WO2017208904 A1 WO 2017208904A1 JP 2017019206 W JP2017019206 W JP 2017019206W WO 2017208904 A1 WO2017208904 A1 WO 2017208904A1
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fuel cell
spacer
fuel
flow path
cell stack
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PCT/JP2017/019206
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French (fr)
Inventor
洋輔 佐藤
要司 板垣
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack.
  • various solid oxide fuel cells using a solid oxide electrolyte have been proposed.
  • a solid oxide fuel cell a plurality of fuel cells are stacked in order to obtain a sufficient voltage.
  • a fuel cell stack is configured.
  • the thermal conductivity of ceramics is low. Therefore, if the number of stacked fuel cells using ceramics is increased, the heat generated by power generation near the center of the fuel cell stack. Tend to stay. Therefore, heat distribution occurs on the surface of the fuel cell, and cracks occur in the fuel cell due to thermal stress.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell stack in which a joint including a metal plate is provided between fuel cells.
  • the metal plate is divided into a plurality of parts in the plane direction, and a spacer made of ceramics is arranged in a region where the metal plate is not arranged.
  • fuel cells may be deformed due to factors such as differences in thermal expansion coefficients of cell components, temperature distribution in the stack, and vibration. At this time, gas leakage occurs in the region where the spacer is arranged in the fuel cell, and in the worst case, it leads to generation of a crack.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell stack in which a spacer connection portion can be prevented from leaking in a fuel cell stack in which spacers are arranged between fuel cells. For the purpose.
  • a fuel cell stack includes a plurality of solid oxide fuel cells, a spacer provided between one fuel cell and another fuel cell, and formed of ceramics.
  • An adhesive layer that bonds the one fuel cell and the spacer, and a plurality of spacers are stacked, and the spacer disposed on the one fuel cell side of the one fuel cell at the time of power generation It is comprised so that it may deform
  • 1 is a schematic front sectional view showing a main part of a fuel cell stack according to an embodiment. It is a disassembled perspective view of one fuel battery cell used for the fuel cell stack of this embodiment. It is a top view of one fuel cell used for the fuel cell stack concerning this embodiment. It is a perspective view showing typically a part of fuel cell stack of this embodiment. It is a top view which shows arrangement
  • FIG. 1 is a schematic front sectional view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
  • the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2 are joined via a joint 4.
  • two fuel battery cells 2 and 2 are shown, but in this embodiment, a structure in which the fuel battery cells 2 and 2 on both sides are stacked via the joint 4 is further connected.
  • FIG. 1 only the positions where the fuel cells 2 and 2 are provided are schematically shown. Details of one fuel cell 2 will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the fuel cell 2 has a solid oxide electrolyte layer 7.
  • the solid oxide electrolyte layer 7 is made of a ceramic having high ionic conductivity. Examples of such materials include stabilized zirconia and partially stabilized zirconia. More specifically, zirconia stabilized by yttrium or scandium can be mentioned. Examples of the stabilized zirconia include 10 mol% yttria stabilized zirconia (10YSZ) and 11 mol% scandia stabilized zirconia (11ScSZ). Examples of the partially stabilized zirconia include 3 mol% yttria partially stabilized zirconia (3YSZ).
  • the material constituting the solid oxide electrolyte layer 7 is not limited to the above, Sm and Gd-doped ceria-based oxide and, La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mn 0.2 O It may be formed of a perovskite oxide such as (3- ⁇ ) . ⁇ represents a positive number less than 3.
  • the solid oxide electrolyte layer 7 is provided with a through hole 7a and a through hole 7b.
  • the through hole 7a constitutes a fuel gas flow path.
  • the through hole 7b constitutes an air flow path through which air as an oxidant gas passes.
  • the fuel electrode layer 6 is laminated above the solid oxide electrolyte layer 7.
  • the fuel electrode layer 6 can be composed of yttria-stabilized zirconia containing Ni, scandia-stabilized zirconia containing Ni, or the like.
  • the fuel electrode layer 6 is provided with a slit 6a constituting a fuel gas flow path and a slit 6b constituting an air flow path.
  • the separator 5 is laminated on the fuel electrode layer 6.
  • the separator 5 can be formed of magnesia spinel, alumina, zircon, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like.
  • Through holes 5 a and 5 b are formed in the separator 5.
  • the through hole 5a constitutes a fuel gas flow path.
  • the through hole 5b constitutes an air flow path.
  • each interconnector 5c is formed by a via-hole conductor.
  • the plurality of interconnectors 5 c are electrically connected to the fuel electrode layer 6.
  • the air electrode layer 8 is provided with a slit 8a that constitutes a fuel gas passage and a slit 8b that constitutes an air passage.
  • the air electrode layer 8 is preferably made of a porous material having high electron conductivity.
  • Such an air electrode layer 8 includes, for example, scandia-stabilized zirconia (ScSZ), ceria doped with Gd, indium oxide doped with Sn, PrCoO 3 oxide, LaCoO 3 oxide, or LaMnO 3 oxide. It can be formed of an oxide or the like.
  • Examples of the LaMnO 3 oxide include La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 (hereinafter abbreviated as LSM) and La 0.6 Ca 0.4 MnO 3 (hereinafter abbreviated as LCM). .
  • the separator 9 is configured in the same manner as the separator 5. Therefore, it has the through-hole 9a which comprises a fuel gas flow path, the through-hole 9b which comprises an air flow path, and the several interconnector 9c.
  • FIG. 3 shows a plan view of the single fuel cell 2.
  • the fuel battery cell 2 has a cross-shaped flow path component 2a and four power generation units 2b, 2c, 2d, and 2e partitioned by the flow path component 2a when viewed in plan. .
  • the interconnector 5c is exposed on the upper surfaces of the power generation units 2b to 2e.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a part of the fuel cell stack 1. The part corresponds to a portion where one power generation section 2b, 2c, 2d or 2e divided by the cross-shaped flow path constituting section 2a shown in FIG. 3 is laminated. As shown in FIG. 4, the fuel cells 2 are stacked via the joints 4. Actually, as shown in FIG. 1, the power generation units 2b and 2c are located on both sides of the flow path component 2a.
  • the fuel cell 2 described above has an advantage that the fuel cell 2 can be formed by co-sintering all at once by using ceramics as an element constituting the fuel cell.
  • the source of chromium poisoning the cathode (air electrode layer 8) can be eliminated, and the metal / ceramic seal portion can be eliminated.
  • the thermal conductivity of the separator 5 is low, heat generated by power generation is not dissipated and thermal stress is easily applied. For this reason, as shown in FIG. 4, the junction part 4 containing a metal plate (soaking plate) is provided every several steps of the fuel battery cell 2, and the in-plane temperature distribution generated by heat generation is made uniform.
  • the fuel cell stack 1 of the present embodiment is characterized by the configuration of the joint 4 that joins the fuel cell 2 and the fuel cell 2.
  • the joint 4 physically joins and integrates the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2 and electrically connects the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2 in series. Connected.
  • the portion indicated by broken lines A and B corresponds to the flow path component 2a.
  • the power generation units 2b and 2c are located on both sides of the flow path component 2a.
  • a metal plate 11 is provided in order not to concentrate heat in the center and to electrically connect the upper fuel cell 2 and the lower fuel cell 2.
  • the material constituting the metal plate 11 is not particularly limited, but it is desirable to use a metal having a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic constituting the fuel cell 2.
  • a material is preferably ferritic stainless steel.
  • the thermal expansion coefficient of ferritic stainless steel is close to that of zirconia.
  • Ferritic stainless steel has excellent heat resistance. Therefore, ferritic stainless steel is particularly preferable.
  • the material which comprises the said metal plate 11 is not specifically limited, You may use another metal.
  • a metal mesh may be used, or a metal foam or a porous metal may be used.
  • a metal mesh, a metal foam, or a porous metal is used, it is possible to increase the followability to stress when heat is applied, thereby further improving the reliability of electrical connection.
  • a conductive layer 12 made of LSM is provided on each of the upper and lower surfaces of the metal plate 11.
  • the conductive layer 12 is made of a cured product obtained by heat treatment of a conductive paste mainly composed of LSM powder.
  • a conductive sheet 13 made of an LSM sheet is provided outside the conductive layer 12.
  • the conductive sheet 13 is formed using an LSM-containing composition that cannot be completely sintered in the load heat treatment step for obtaining the fuel cell stack 1. More specifically, in the present embodiment, it is an LSM powder represented by (La 0.8 Sr 0.2 ) 0.95 MnO 3 and has a specific surface area (BET method) of 7 m 2 / g. Use powder.
  • a slurry formed by mixing the calcined powder, a binder resin, and a solvent is formed into a sheet. The obtained sheets are laminated as shown in FIG. 1 and baked by load heat treatment for stacking described later. Thus, as will be described later, the conductive sheet 13 that has not been sintered is formed.
  • the conductive layer 12 is disposed on the outer surface of the conductive sheet 13. Due to the laminated structure of the conductive layer 12 and the conductive sheet 13, the upper fuel cell 2, the metal layer 11, and the lower fuel cell 2 are joined and electrically connected.
  • the conductive layer 12 and the conductive sheet 13 are preferably made of conductive ceramics such as LSM.
  • conductive ceramics include (LaSr) MnO 3 , (LaSr) CoO 3 , (LaSr) (CoFe) O 3 , MnCo 2 O 4 , (SmSr) CoO 3 , (LaCa) MnO 3 , (LaCa) At least one selected from the group consisting of CoO 3 , (LaCa) (CoFe) O 3 , La (NiFe) O 3 and (LaSr) 2 NiO 4 can be suitably used.
  • the conductive layer 12 and the conductive sheet 13 contain a metal element constituting the metal plate 11. Thereby, the difference in thermal expansion coefficient with respect to the metal plate 11 can be reduced.
  • the conductive layer 12 and the conductive sheet 13 are preferably made of porous conductive ceramics.
  • the conductive layer 12 and the conductive sheet 13 do not necessarily have a sheet shape, and may have a lattice shape or a mesh shape having a large number of voids, or a large number of stripe portions are provided in parallel. It may be a shape. That is, as long as electrical connection is ensured, the upper power generation unit 2b and the lower power generation unit 2b do not necessarily have to be connected to each other. In particular, the surface of the fuel cell 2 generally has irregularities. Rather, it may be desirable to configure the electrical connection portion surface to have irregularities. Therefore, as described above, a lattice shape or the like may be used.
  • the joint portion 4 has a laminated structure of the adhesive layer 15 and the spacer 16 in a region different from the joint portion that electrically connects the power generation portions 2b and 2c.
  • the spacer 16 is used to facilitate adhesion when the distance between the fuel cells 2 and 2 is large.
  • a material constituting such a spacer 16 a material having a thermal expansion coefficient close to that of the ceramic constituting the fuel cell 2 is desirable.
  • the fuel cells 2 and 2 are bonded via the spacer 16 by the adhesive layer 15.
  • the adhesive layer 15 is made of crystallized glass, amorphous glass, ceramics, or a mixed glass-based adhesive.
  • FIG. 5 is a plan view showing the arrangement of the spacers 16 used in the fuel cell stack according to this embodiment.
  • the conductive part 4a is arranged at a position corresponding to the power generation parts 2b to 2e in FIG. 3, and the spacer 16 is arranged at a position corresponding to the cross-shaped flow path constituting part 2a in FIG. ing.
  • the spacer 16 includes a through hole 16a constituting a fuel gas passage or a through hole 16b constituting an air passage. Thereby, the fuel gas flow path and air flow path which penetrate the upper and lower cells are secured.
  • the spacer 16 shown in FIG. 5 has an integral structure in which all cross shapes are connected, but may be divided into a plurality of pieces, and each divided spacer may be rectangular. It may be oval.
  • the conductive portions 4a including the metal plate 11 are arranged at positions corresponding to the power generation portions 2a to 2e of the fuel battery cell 2, so that the power generation portions 2a to 2e of the upper and lower fuel battery cells 2 are electrically connected. It is connected to the.
  • heat generated from the power generation units 2a to 2e made of ceramics having low thermal conductivity can be efficiently conducted to achieve uniform heat. Uniformization enables operation at a higher current density, and higher output can be achieved.
  • the reason why the spacer 16 instead of the conductive portion 4a including the metal plate 11 is arranged at a position corresponding to the cross-shaped flow path component 2a is that the fuel cell 2 made of ceramics and the metal plate 11 are heated. Since the difference in expansion coefficient is large, there is a possibility that a gap is formed in the upper and lower joints due to thermal deformation during power generation. There is no problem if a gap is generated in the power generation units 2a to 2e, but if a gap is generated in the flow path component 2, a gas leak of fuel gas or air occurs, resulting in a decrease in fuel utilization rate and air utilization rate.
  • a spacer 16 made of ceramics having a thermal expansion coefficient close to that of the fuel cell 2 (more specifically, the solid oxide electrolyte layer 7) is arranged.
  • the difference in coefficient of thermal expansion between the spacer 16 and the fuel cell 2 is preferably within 5%, and preferably within 2 ppm / ° C.
  • the spacer 16 is formed of the same material as that of the separator 5, and may be formed of, for example, magnesia spinel, alumina, zircon, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, or the like.
  • the fuel battery cell 2 may be deformed due to factors such as a difference in thermal expansion coefficient of cell constituent materials. In such a state, a gas leak occurs between the spacer 16 and the fuel cell 2 above and below the spacer 16. In the present embodiment, the bending rigidity of the spacer 16 is reduced in order to prevent such a gas leak.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the spacer according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer according to the comparative example shown in Patent Document 1. 6 and 7, the conductive portion 4a shown in FIG. 1 is illustrated in a simplified manner.
  • a plurality of spacers 16 are stacked.
  • the spacers 16 are multilayered and the spacers 16 per sheet are made thin, so that the bending rigidity of the spacers 16 is reduced and the spacers 16 can be deformed following the cells.
  • two spacers 16x are arranged.
  • the spacer 16 bonded to the one fuel cell 2 follows and deforms, so that leakage from the seal is suppressed. .
  • the bending rigidity of at least the spacer 16 joined to the fuel cell, that is, the spacer 16 arranged on the fuel cell side is preferably 350 N ⁇ mm 2 or less.
  • the thickness of the spacer 16 is preferably 0.7 mm or less. However, if the material and shape of the spacer 16 are changed, the preferred thickness is different.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the second embodiment.
  • the spacers 16-1 and 16-2 on the fuel cell 2 side among the spacers are reduced in thickness, and are deformed along with the deformation of the fuel cell 2 during power generation. Is configured to do.
  • the bending rigidity and thickness of the spacers 16-1 and 16-2 are as described in the first embodiment.
  • the spacers 16-2 that are not arranged on the upper and lower fuel cell 2 sides are not thinned. The thickness of the spacer 16-2 is adjusted to fill the space between the fuel cells.
  • the spacers 16-1 and 16-2 on the fuel cell 2 side are thinned, and are configured to be deformed along with the deformation of the fuel cell 2 during power generation. As the fuel cells 2 above and below the joint 4 are deformed, the spacers 16-1 and 16-2 joined to the fuel cells 2 are deformed, so that stress concentrates on the fuel cells 2. And the occurrence of leaks can be suppressed.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the third embodiment.
  • the spacer 16-1 disposed on one fuel cell 2 side of the upper and lower fuel cells 2 is thinned, and the fuel cell 2 of the fuel cell 2 during power generation is reduced. It is comprised so that it may deform
  • the spacer disposed on the other fuel battery cell 2 side is not thinned and is a single spacer 16-2. The thickness of the spacer 16-2 is adjusted to fill the space between the fuel cells.
  • the deformation direction of the cell is constant, and when the cell is deformed, tensile stress is applied to the upper fuel cell 2 of the joint 4 and compressive stress is applied to the lower fuel cell 2.
  • the fuel battery cell 2 is a ceramic product mainly made of zirconia, it is strong against compressive stress but weak against tensile stress, and the fuel battery cell 2 above the joint 4 is relatively likely to leak. For this reason, it is possible to suppress leakage by reducing only the spacer on the side connected to the upper fuel cell 2. In addition, when convexly deforming downward, only the spacer 16 on the lower fuel cell 2 side needs to be thinned.
  • only the spacer on the side of at least one of the fuel cells 2, in particular the fuel cell 2 on which the tensile stress is likely to be applied, is thinned and deformed along with the deformation of the fuel cell 2 during power generation.
  • it can suppress that a tensile stress concentrates on the fuel battery cell 2, and can suppress generation
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the fourth embodiment.
  • a separate spacer 16-3 is disposed on the other (lower) fuel cell 2 side as compared with the third embodiment. Is thicker than the spacer 16-2 at the center but thicker than the spacer 16-1. The bending rigidity and thickness of the spacer 16-1 are as described in the first embodiment.
  • the spacer 16-3 is thinner than the spacer 16-2, it has a bending rigidity that is reduced to some extent. For this reason, the concentration of the compressive stress in the lower fuel cell 2 can be suppressed to some extent by disposing the spacer 16-3 on the lower fuel cell 2 in FIG. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of leakage in the lower fuel battery cell 2.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the fifth embodiment.
  • the spacer structure shown in FIG. 11 is the structure of the spacer in the portion including the through holes 16b constituting the air flow path shown in FIG.
  • the structure of the spacer in the portion including the through hole 16a constituting the fuel gas flow path shown in FIG. 5 is the same as that in the first to fourth embodiments.
  • the spacer 16 that forms the air flow path is thinned and multilayered, and the adhesive layer 15 is not provided between the upper and lower fuel cells 2, and the fuel cells 2 and the spacers 16 are joined. Not. The upper and lower fuel cells 2 are joined only by the joining force between the spacers forming the fuel gas flow path and the fuel cells 2.
  • the spacer 16 on the air side is not joined to the fuel cell 2, even if the fuel cell 2 is deformed, the stress can be released by sliding, and cracking of the fuel cell 2 can be suppressed.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the sixth embodiment.
  • the spacer structure shown in FIG. 12 is the structure of the spacer in the portion provided with the through holes 16b constituting the air flow path shown in FIG. 5, as in the fifth embodiment.
  • the structure of the spacer in the portion including the through hole 16a constituting the fuel gas flow path shown in FIG. 5 is the same as that in the first to fourth embodiments.
  • the spacers 16 that form the air flow paths are thinned and multilayered, and the adhesive layer 15 is not provided between the upper and lower fuel cells 2, and the fuel cells 2 and the spacer 16 are not joined.
  • the upper and lower fuel cells 2 are joined only by the joining force between the spacers forming the fuel gas flow path and the fuel cells 2.
  • the sealing property is improved by sandwiching not the adhesive layer 156 but the vermiculite or silicate gasket material 17 between the upper and lower fuel cells 2 and the spacer 16.
  • the air side spacer 16 is not joined to the fuel cell 2, even if the fuel cell 2 is deformed, the stress can be released by sliding, and the fuel cell 2 is prevented from leaking. it can.
  • the presence of the gasket material between the upper and lower fuel cells 2 and the spacer 16 can improve the sealing performance.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the seventh embodiment.
  • two spacers 16-1 and 16-2 each having a through hole 16a or a through hole 16b are laminated without an adhesive layer 15.
  • the spacers 16-1 and 16-2 are not flat but have a concavo-convex structure, and the spacers 16-1 and 16-2 are fitted together to form a single flat plate. It is configured.
  • the spacers are not fixed by the adhesive layer, it is possible to follow the deformation of the fuel cell. Further, the plurality of spacers are fitted with each other so as not to be displaced or to prevent gas leakage.
  • FIG. 13 it may be a tapered shape instead of a right-angled uneven structure, or may be a smooth curved uneven structure.
  • FIG. 14 the number of irregularities may be increased. By increasing the number of irregularities, the path between the spacers becomes longer, which is effective in suppressing gas leakage.
  • the fuel cell stack according to this embodiment includes a plurality of solid oxide fuel cells 2 and a spacer 16 provided between one fuel cell and another fuel cell 2 and formed of ceramics.
  • a plurality of spacers 16 are laminated, and a spacer 16-1 disposed on the one fuel cell 2 side includes: an adhesive layer 15 for adhering one fuel cell 2 and the spacer 16; It is comprised so that it may deform
  • FOG. 9 electric power generation
  • the bending rigidity of the spacer 16 disposed on the one fuel cell 2 side is 350 N ⁇ mm 2 or less. In this way, by reducing the bending rigidity of the spacer 16 disposed on the one fuel cell 2 side, the spacer 16-1 bonded to the one fuel cell 2 can be removed when the one fuel cell 2 is deformed. It can follow and deform.
  • the thickness of the spacer 16-1 disposed on the one fuel cell 2 side is 0.7 mm or less.
  • the bending rigidity of the spacer 16-1 arranged on the one fuel cell 2 side can be reduced, and when the one fuel cell 2 is deformed, the spacer 16-adhered to the one fuel cell 2. 1 can follow and deform.
  • Solid oxide fuel cells are formed of ceramics, which are weaker than tensile stresses than compressive stresses. For this reason, the spacer joined to the one fuel cell in which tensile stress is concentrated is configured to be deformed along with the deformation of the one fuel cell at the time of power generation. Concentration of tensile stress can be suppressed, and the occurrence of leakage is suppressed.
  • all of the plurality of spacers 16 are configured to be deformed with the deformation of the fuel cell 2 at the time of power generation (FIG. 6). Thereby, the rigidity of the bundle
  • the plurality of spacers 16 include a spacer 16 having a fuel gas flow path (through hole 16a) and a spacer 16 having an air flow path (through hole 16b) (FIG. 5) and bonded.
  • the agent layer is provided between one fuel battery cell 2 and a spacer 16 having a fuel gas flow path, and an adhesive layer between the one fuel battery cell 2 and a spacer having an air flow path. 15 is not provided (FIG. 11). Since the air-side spacer 16 is not joined to the fuel battery cell 2, even if the fuel battery cell 2 is deformed, the stress can be released by sliding, and leakage from the seal portion can be suppressed.
  • a gasket material 17 is disposed between one fuel cell 2 and a spacer 16 having an air flow path (FIG. 12).
  • the presence of the gasket material between one fuel cell 2 and the spacer 16 having the air flow path can improve the sealing performance.

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Abstract

燃料電池セル間にスペーサを配置した燃料電池スタックにおいて、スペーサ接続部にリークが生じることを抑制することができる燃料電池スタックを提供する。本発明の一側面に係る燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、一の燃料電池セルと他の燃料電池セルとの間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサと、一の燃料電池セルとスペーサとを接着する接着剤層と、を有し、スペーサは複数積層されており、一の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成されている。

Description

燃料電池スタック
　本発明は、燃料電池スタックに関する。
　従来、固体酸化物電解質を用いた固体酸化物形燃料電池が種々提案されている。固体酸化物形燃料電池では、十分な電圧を得るために、複数の燃料電池セルが積層されている。それによって、燃料電池スタックが構成されている。セラミックスを用いて燃料電池セルを形成した場合、セラミックスの熱伝導率が低いことから、セラミックスを用いた燃料電池セルの積層数を増加させると、発電によって生じた熱が燃料電池スタックの中心付近にとどまる傾向にある。そのため、燃料電池セル面において熱分布が生じ、熱応力による燃料電池セルにクラックが生じる。
　このような問題を回避すべく、特許文献１には、燃料電池セル間に金属板を含む接合部を設けた燃料電池スタックが開示されている。特許文献１では、金属板は平面方向において複数分割して設けられており、金属板が配置されていない領域にはセラミックスからなるスペーサが配置されている。
国際公開公報第２０１５／０４５９８６号
　発電時において、燃料電池セルはセル構成材料の熱膨張係数差、スタック内温度分布、振動等の要因により、変形することがある。このとき、燃料電池セルのうちスペーサが配置されている領域においてはガスのリークが発生し、最悪の場合にはクラックの発生に繋がる。
　クラックが発生することによる問題は様々であり、セル内の電気伝導ビアの断裂による内部抵抗の増加、電極部の破壊による有効電極面積の減少、流路部にクラックが入った場合にはガスリークの発生による燃料利用率、空気利用率の低下が起きる。特に燃料のリークによる特性低下は大きく、リークの抑制は重要な課題である。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セル間にスペーサを配置した燃料電池スタックにおいて、スペーサ接続部にリークが生じることを抑制することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、一の燃料電池セルと他の燃料電池セルとの間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサと、一の燃料電池セルとスペーサとを接着する接着剤層と、を有し、スペーサは複数積層されており、一の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成されている。
　本発明によれば、燃料電池セル間にスペーサを配置した燃料電池スタックにおいて、一の燃料電池セルにリークが生じることを抑制することが可能となる。
本実施形態に係る燃料電池スタックの要部を示す略図的正面断面図である。 本実施形態の燃料電池スタックに用いられている１つの燃料電池セルの分解斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックに用いられている１つの燃料電池セルの平面図である。 本実施形態の燃料電池スタックの一部を模式的に示す斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池スタックに用いられているスペーサの配置を示す平面図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 比較例の燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第２実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第４実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第５実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第６実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第７実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 第７実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成の変形例を示す概略断面図である。
（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの略図的正面断面図である。燃料電池スタック１では、上方の燃料電池セル２と、下方の燃料電池セル２とが接合部４を介して接合されている。図１では、２つの燃料電池セル２，２を示したが、本実施形態では、上記接合部４を介して両側の燃料電池セル２，２が積層されている構造がさらに連ねられている。
　また、図１では、燃料電池セル２，２は、その設けられている位置のみを略図的にしている。図２及び図３を参照して、１つの燃料電池セル２の詳細を説明する。
　図２に示すように、燃料電池セル２は、固体酸化物電解質層７を有する。固体酸化物電解質層７は、イオン導電性が高いセラミックスからなる。このような材料としては、例えば、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどを挙げることができる。より具体的には、イットリウムやスカンジウムにより安定化されたジルコニアが挙げられる。安定化ジルコニアとしては、例えば、１０モル％イットリア安定化ジルコニア（１０ＹＳＺ）、１１モル％スカンジア安定化ジルコニア（１１ＳｃＳＺ）などを挙げることができる。部分安定化ジルコニアとしては、例えば、３モル％イットリア部分安定化ジルコニア（３ＹＳＺ）などを挙げることができる。
　なお、上記固体酸化物電解質層７を構成する材料は上記に限定されず、ＳｍやＧｄがドープされたセリア系酸化物や、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｎ０．２Ｏ（３－δ）などのペロブスカイト型酸化物などにより形成してもよい。なお、δは、３未満の正の数を示す。
　固体酸化物電解質層７には、貫通孔７ａと貫通孔７ｂとが設けられている。貫通孔７ａは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔７ｂは、酸化剤ガスとしての空気を通す空気流路を構成している。
　固体酸化物電解質層７の上方に燃料極層６が積層されている。燃料極層６は、Ｎｉを含むイットリア安定化ジルコニアや、Ｎｉを含むスカンジア安定化ジルコニアなどにより構成することができる。燃料極層６には、燃料ガス流路を構成するスリット６ａと、空気流路を構成するスリット６ｂとが設けられている。
　上記燃料極層６上にセパレータ５が積層されている。セパレータ５は、マグネシアスピネルやアルミナ、ジルコン、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。セパレータ５に、貫通孔５ａ，５ｂが形成されている。貫通孔５ａは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔５ｂは、空気流路を構成している。
　セパレータ５には、電気を取り出すための複数本のインターコネクタ５ｃがセパレータ５の上面から下面を貫くように設けられている。すなわち、ビアホール導体により各インターコネクタ５ｃが形成されている。複数本のインターコネクタ５ｃは、上記燃料極層６に電気的に接続されている。
　固体酸化物電解質層７の下方には、空気極層８及びセパレータ９が積層されている。空気極層８には、燃料ガス流路を構成するスリット８ａと、空気流路を構成するスリット８ｂとが設けられている。空気極層８は、電子伝導性が高く、かつ多孔質の材料からなることが好ましい。このような空気極層８は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｇｄがドープされたセリア、Ｓｎがドープされた酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物、又はＬａＭnＯ３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭnＯ３系酸化物としては、例えば、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２ＭｎＯ３（以下においてＬＳＭと略す）や、Ｌａ０．６Ｃａ０．４ＭｎＯ３（以下においてＬＣＭと略す）などが挙げられる。
　セパレータ９はセパレータ５と同様に構成されている。従って、燃料ガス流路を構成する貫通孔９ａと、空気流路を構成する貫通孔９ｂと、複数本のインターコネクタ９ｃとを有する。
　図３は、この単一の燃料電池セル２の平面図を示す。図３に示すように燃料電池セル２は、平面視した場合、十字状の流路構成部２ａと、流路構成部２ａで区画された４つの発電部２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅとを有する。そして、発電部２ｂ～２ｅの上面には上記インターコネクタ５ｃが露出している。
　図１に戻り、本実施形態の燃料電池スタック１では、このような燃料電池セル２が複数層積層されている。図４は、燃料電池スタック１の一部を示す斜視図である。一部とは、図３に示した十字状の流路構成部２ａで区切られている１つの発電部２ｂ，２ｃ，２ｄ又は２ｅが積層されている部分に相当する。図４に示すように、燃料電池セル２が接合部４を介して積層されている。なお、実際には、図１に示すように、流路構成部２ａの両側に、発電部２ｂ，２ｃが位置している。
　上述した燃料電池セル２では、燃料電池セルを構成する要素としてセラミックスを用いることにより、燃料電池セル２を一括して共焼結して形成できる利点がある。燃料電池セル２に金属を用いないことにより、カソード（空気極層８）を被毒するクロムの発生源をなくすことができ、金属/セラミックスのシール箇所をなくすことができるという利点もある。その反面、セパレータ５の熱伝導度が低いので、発電により生じた熱が放散せず、熱応力がかかりやすい。このため、図４に示すように燃料電池セル２の数段おきに金属板（均熱板）を含む接合部４を設け、発熱によって生じるセル面内温度分布を均一化させている。
　図１に戻り、本実施形態の燃料電池スタック１の特徴は、上記燃料電池セル２と燃料電池セル２とを接合している接合部４の構成にある。
　接合部４は、上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを物理的に接合し一体化すると共に、上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを電気的に直列に接続している。
　図１において、燃料電池セル２は、破線Ａ，Ｂで示す部分間が、上記流路構成部２ａに相当する。流路構成部２ａの両側に、発電部２ｂ，２ｃが位置している。そして、熱を中央に集中させないために、並びに上方の燃料電池セル２と下方の燃料電池セル２とを電気的に接続するために、金属板１１が設けられている。
　金属板１１を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル２を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い金属を用いることが望ましい。このような材料としては、好ましくは、フェライト系ステンレスである。フェライト系ステンレスの熱膨張係数は、ジルコニアと熱膨張係数が近い。また、フェライト系ステンレスは耐熱性に優れている。従って、フェライト系ステンレスが特に好ましい。もっとも、上記金属板１１を構成する材料は特に限定されず、他の金属を用いてもよい。
　金属板１１として、金属メッシュを用いてもよく、あるいは金属発泡体もしくは多孔質金属を用いてもよい。金属メッシュ、金属発泡体又は多孔質金属を用いた場合、熱が加えられた際の応力に対する追随性を高めることができ、それによって電気的接続の信頼性をより一層高めることができる。
　金属板１１の上面及び下面に、それぞれ、ＬＳＭからなる導電層１２が設けられている。導電層１２は、ＬＳＭ粉末を主体とする導電ペーストの熱処理による硬化物からなる。
　上記導電層１２の外側に、ＬＳＭシートからなる導電シート１３がそれぞれ設けられている。この導電シート１３は、後述するように、燃料電池スタック１を得るための荷重熱処理工程において完全に焼結するには至らないＬＳＭ含有組成物を用いて形成されている。より具体的には、本実施形態では、（Ｌａ０．８Ｓｒ０．２）０．９５ＭｎＯ３で表されるＬＳＭ粉末であって、比表面積（ＢＥＴ法）が７ｍ２／ｇの仮焼粉末を用いる。この仮焼粉末と、バインダー樹脂と溶剤とを混合してなるスラリーをシート成形する。得られたシートを図１に示すように積層し、後述のスタック化のために荷重熱処理により焼き付ける。このようにして、後述するように、焼結に至っていない導電シート１３が形成されている。
　上記導電シート１３の外表面には、導電層１２が配置されている。上記導電層１２及び導電シート１３の積層構造により、上方の燃料電池セル２と、金属層１１と、下方の燃料電池セル２とが接合されて、電気的に接続されている。
　上記導電層１２及び導電シート１３は、ＬＳＭのような導電性セラミックスからなることが望ましい。このような導電性セラミックスとしては、(ＬａＳｒ)ＭｎＯ３、(ＬａＳｒ)ＣｏＯ３、(ＬａＳｒ)(ＣｏＦｅ)Ｏ３、ＭｎＣｏ2Ｏ4、(ＳｍＳｒ)ＣｏＯ３、(ＬａＣａ)ＭｎＯ３、(ＬａＣａ)ＣｏＯ３、(ＬａＣａ)(ＣｏＦｅ)Ｏ３、Ｌａ(ＮｉＦｅ)Ｏ３及び（ＬａＳｒ）２ＮｉＯ４からなる群から選択された少なくとも１種を好適に用いることができる。
　また、上記導電層１２及び導電シート１３は、金属板１１を構成している金属元素を含むことが望ましい。それによって、金属板１１に対する熱膨張係数の差を小さくすることができる。また、上記導電層１２及び導電シート１３は、多孔質の導電性セラミックスからなることが望ましい。
　また、上記導電層１２及び導電シート１３は、シート状である必要は必ずしもなく、多数の空隙を有する格子状、メッシュ状等の形状であってもよく、あるいは多数のストライプ部分が平行に設けられている形状であってもよい。すなわち、電気的接続が確保される限り、上方の発電部２ｂと下方の発電部２ｂとは、全面的に接続されている必要は必ずしもない。特に、燃料電池セル２の表面には、凹凸が存在するのが一般的である。従って、むしろ、凹凸を有するように電気的接続部分表面を構成することが望ましいこともある。従って、上記のように、格子状等の形状を用いてもよい。
　本実施形態では、接合部４は、上記発電部２ｂ，２ｃを電気的に接続している接合部とは別の領域において、接着剤層１５及びスペーサ１６の積層構造を有する。ここで、スペーサ１６は、燃料電池セル２，２間の距離が大きい場合、接着を容易とするために用いられている。このようなスペーサ１６を構成する材料としては、燃料電池セル２を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い材料が望ましい。
　本実施形態では、接着剤層１５により、燃料電池セル２，２が上記スペーサ１６を介して接着されている。接着剤層１５は、本実施形態では、結晶化ガラス、非晶質ガラス、セラミックスもしくはそれらの混合されたガラス系接着剤からなる。
　図５は、本実施形態に係る燃料電池スタックに用いられているスペーサ１６の配置を示す平面図である。
　図５に示すように、図３の発電部２ｂ～２ｅに対応する位置に導電部４ａが配置されており、図３の十字状の流路構成部２ａに対応する位置にスペーサ１６が配置されている。スペーサ１６は、燃料ガス流路を構成する貫通孔１６ａ又は空気流路を構成する貫通孔１６ｂを備える。これにより、上下のセルを貫通する燃料ガス流路及び空気流路が確保される。なお、図５に示すスペーサ１６は、十字状の全てが連結された一体構造をなしているが、複数に分割されていてもよく、また、分割された各スペーサは矩形であってもよく、楕円形であってもよい。
　上記構成では、燃料電池セル２の発電部２ａ～２ｅに対応する位置に金属板１１を含む導電部４ａが配置されていることにより、上下の燃料電池セル２の発電部２ａ～２ｅが電気的に接続されている。また、熱伝導率の低いセラミックスにより構成される発電部２ａ～２ｅから生じた熱を効率的に伝導させて熱の均一化を図ることができる。均一化によりより高い電流密度での運転が可能となり、高出力化を図ることができる。
　十字状の流路構成部２ａに対応する位置に金属板１１を含む導電部４ａではなくスペーサ１６を配置することとしたのは、セラミックスにより構成される燃料電池セル２と金属板１１とは熱膨張係数の差が大きいことから、発電時の熱変形により上下の接合に隙間が生じる可能性がある。発電部２ａ～２ｅにおいて隙間が生じても問題はないが、流路構成部２において隙間が生じると、燃料ガス又は空気のガスリークを生じてしまい、燃料利用率、空気利用率の低下がおきる。このため、流路構成部２においては、燃料電池セル２（より具体的には固体酸化物電解質層７）と熱膨張係数が近いセラミックスからなるスペーサ１６を配置することとしている。具体的には、スペーサ１６と燃料電池セル２の熱膨張係数の差は５％以内であることが好ましく、２ｐｐｍ／℃以内であることが好ましい。
　スペーサ１６は、セパレータ５と同様の材料により形成され、例えば、マグネシアスピネルやアルミナ、ジルコン、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。
　発電時において、燃料電池セル２はセル構成材料の熱膨張係数差等の要因により、変形することがある。このような状態において、スペーサ１６とその上下の燃料電池セル２との間からガスリークの発生の原因となる。本実施形態ではこのようなガスリークを防止すべく、スペーサ１６の曲げ剛性を低下させたものである。
　図６は、本実施形態に係るスペーサの構成を説明するための概略断面図である。また、図７は、特許文献１に示された比較例に係るスペーサの構成を示す概略断面図である。図６，７では、図１に示す導電部４ａを簡略化して図解している。
　図６に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック１では、スペーサ１６は複数積層されている。このようにスペーサ１６を多層化して１枚当たりのスペーサ１６を薄膜化することにより、スペーサ１６の曲げ剛性を低下させ、セルに追従して変形できるようにしている。これに対して、図７に示す比較例では、二つのスペーサ１６ｘが配置されている。
　本実施形態によれば、上記構成により、一の燃料電池セル２の変形時に、一の燃料電池セル２と接着されたスペーサ１６が追従して変形することから、シールからのリークが抑制される。
　少なくとも燃料電池セルに接合されるスペーサ１６、すなわち燃料電池セル側に配置されるスペーサ１６の曲げ剛性は、350Ｎ・ｍｍ２以下であることが好ましい。
　また、スペーサ１６の厚さは０．７ｍｍ以下であることが好ましい。ただし、スペーサ１６の材料や形状を変えれば好適な厚さは異なる。
　特に本実施形態では、全てのスペーサ１６が薄膜化されていることにより、シール部全体の曲げ剛性を低下させることができ、スペーサ１６の上下に配置された燃料電池セル２に応力が集中することを抑制することができ、リークが発生することを抑制することができる。
（第２実施形態）
　第２の実施形態以降では第１の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
　図８は、第２実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。
　図８に示すように、第２実施形態では、スペーサのうち、少なくとも燃料電池セル２側のスペーサ１６－１，１６－２のみ薄型化され、発電時における燃料電池セル２の変形に伴って変形するように構成されている。スペーサ１６－１，１６－２の曲げ剛性及び厚さについては、第１実施形態で説明したとおりである。第２実施形態では、上下の燃料電池セル２側に配置されていないスペーサ１６－２は、薄型化していない。スペーサ１６－２の厚さは、燃料電池セル間のスペースを埋める厚さに調整される。
　第２実施形態によれば、少なくとも燃料電池セル２側のスペーサ１６－１，１６－２のみ薄型化して、発電時における燃料電池セル２の変形に伴って変形するように構成されていることにより、接合部４の上下の燃料電池セル２の変形に伴ってこの燃料電池セル２と接合しているスペーサ１６－１，１６－２が変形することから、燃料電池セル２に応力が集中することを抑制でき、リークの発生を抑制できる。
（第３実施形態）
　図９は、第３実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。
　図９に示すように、第３実施形態では、上下の燃料電池セル２のうち、一方の燃料電池セル２側に配置されるスペーサ１６－１のみ薄型化して、発電時における燃料電池セル２の変形に伴って変形するように構成されている。第３実施形態では、他方の燃料電池セル２側に配置されるスペーサは薄型化しておらず、１つのスペーサ１６－２としている。スペーサ１６－２の厚さは、燃料電池セル間のスペースを埋める厚さに調整される。
　セルの変形向きは一定であり、セルの変形時には接合部４の上側の燃料電池セル２に引っ張り応力がかかり、下側の燃料電池セル２に圧縮応力がかかる。燃料電池セル２は主にジルコニアで形成されたセラミックス製品であるため、圧縮応力には強いが引っ張り応力には弱く、相対的に接合部４の上側の燃料電池セル２にリークが発生しやすい。そのため、上側の燃料電池セル２に接続される側のスペーサのみを薄型化することでもリークの抑制が可能となる。なお、下側に凸変形する場合には、下側の燃料電池セル２側のスペーサ１６のみを薄型化すればよい。
　第３実施形態によれば、少なくとも一方の燃料電池セル２側、特に引張応力がかかりやすい方の燃料電池セル２側のスペーサのみ薄型化して、発電時における燃料電池セル２の変形に伴って変形するように構成されていることにより、燃料電池セル２へ引張応力が集中することを抑制でき、リークの発生を抑制できる。
（第４実施形態）
　図１０は、第４実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。
　図１０に示すように、第４実施形態では、第３実施形態と比べて、他方（下側）の燃料電池セル２側に別個のスペーサ１６－３を配置しており、このスペーサ１６－３は、中央部のスペーサ１６－２よりも厚いがスペーサ１６－１よりも厚い。スペーサ１６－１の曲げ剛性及び厚さについては、第１実施形態で説明したとおりである。
　スペーサ１６－３は、スペーサ１６－２よりも薄いことから、ある程度低下した曲げ剛性をもつ。このため、圧縮応力がかかりやすい図１０の下側の燃料電池セル２に対してスペーサ１６－３を配置することにより、下側の燃料電池セル２の圧縮応力の集中をある程度抑制することができることから、下側の燃料電池セル２にリークが発生することを抑制することができる。
（第５実施形態）
　図１１は、第５実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。
　図１１に示すスペーサの構成は、図５に示した空気流路を構成する貫通孔１６ｂを備える部位におけるスペーサの構造である。図５に示した燃料ガス流路を構成する貫通孔１６ａを備える部位におけるスペーサの構造については、第１実施形態～第４実施形態と同様である。
　第５実施形態では、空気流路を形成するスペーサ１６のみ薄型多層化し、かつ、上下の燃料電池セル２との間に接着剤層１５を設けず、燃料電池セル２とスペーサ１６とを接合していない。上下の燃料電池セル２は、燃料ガス流路を形成するスペーサと燃料電池セル２との接合力のみで接合されている。
　第５実施形態では、空気側のスペーサ１６において数％程度の空気漏れは許容している。空気側のスペーサ１６は、燃料電池セル２には接合されていないため、燃料電池セル２が変形したとしても、すべりにより応力を開放でき、燃料電池セル２にクラックが生じることを抑制できる。
（第６実施形態）
　図１２は、第６実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。
　図１２に示すスペーサの構成は、第５実施形態と同様に、図５に示した空気流路を構成する貫通孔１６ｂを備える部位におけるスペーサの構造である。図５に示した燃料ガス流路を構成する貫通孔１６ａを備える部位におけるスペーサの構造については、第１実施形態～第４実施形態と同様である。
　第６実施形態では、第５実施形態と同様に、空気流路を形成するスペーサ１６のみ薄型多層化し、かつ、上下の燃料電池セル２との間に接着剤層１５を設けず、燃料電池セル２とスペーサ１６とを接合していない。上下の燃料電池セル２は、燃料ガス流路を形成するスペーサと燃料電池セル２との接合力のみで接合されている。
　さらに第６実施形態では、上下の燃料電池セル２とスペーサ１６との間に接着剤層１５６ではなく、バーミキュライト系やシリケート系のガスケット材１７を挟むことでシール性を向上させている。これにより、空気側のスペーサ１６は、燃料電池セル２には接合されていないため、燃料電池セル２が変形したとしても、すべりにより応力を開放でき、燃料電池セル２にリークが生じることを抑制できる。また、上下の燃料電池セル２とスペーサ１６との間にガスケット材が存在することによりシール性を向上させることができる。
（第７実施形態）
　図１３は、第７実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。
　図１３に示す例では、貫通孔１６ａ又は貫通孔１６ｂを備える２つのスペーサ１６－１，１６－２が接着剤層１５無しに積層されている。なお、スペーサの積層数に限定はない。本実施形態では、各スペーサ１６－１，１６－２は、平板状ではなく、凹凸構造をなしており、スペーサ１６－１，１６－２同士が嵌合することにより一枚の平板となるように構成されている。
　第７実施形態によれば、スペーサ同士が接着剤層により固定されていないため、燃料電池セルの変形に対して追従することができる。また、複数のスペーサ同士は嵌合されており位置ずれしないように、あるいはガスリークが発生しないように構成されている。
　第７実施形態において様々な改変が可能である。図１３に示すように直角の凹凸構造ではなく、テーパー状であってもよく、また、滑らかな曲線状の凹凸構造であってもよい。さらに、図１４に示すように、凹凸の数を増加させてもよい。凹凸の数を増やすことにより、スペーサ間の経路が長くなることから、ガスリークの抑制に効果的である。
　以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。
　本実施形態に係る燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形の燃料電池セル２と、一の燃料電池セルと他の燃料電池セル２との間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサ１６と、一の燃料電池セル２とスペーサ１６とを接着する接着剤層１５と、を有し、スペーサ１６は複数積層されており、一の燃料電池セル２側に配置されるスペーサ１６－１が、発電時における一の燃料電池セル２の変形に伴って変形するように構成されている（図９）。これにより、一の燃料電池セル２の変形時に、一の燃料電池セル２と接着されたスペーサが追従して変形することから、シールからのリークが抑制される。
　本実施形態によれば、一の燃料電池セル２側に配置されるスペーサ１６の曲げ剛性が、350Ｎ・ｍｍ２以下である。このように一の燃料電池セル２側に配置されるスペーサ１６の曲げ剛性を低下させることにより、一の燃料電池セル２の変形時に、一の燃料電池セル２と接着されたスペーサ１６－１が追従して変形することができる。
　本実施形態によれば、一の燃料電池セル２側に配置されるスペーサ１６－１の厚さが、０．７ｍｍ以下である。これにより一の燃料電池セル２側に配置されるスペーサ１６－１の曲げ剛性を低下させることができ、一の燃料電池セル２の変形時に、一の燃料電池セル２と接着されたスペーサ１６－１が追従して変形することができる。
　固体酸化物形の燃料電池セルはセラミックスにより形成され、このセラミックスは圧縮応力よりも引張応力に弱い。このため、引張応力が集中する一の燃料電池セルに接合されるスペーサが、発電時における一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成されていることにより、一の燃料電池セルに引張応力が集中することを抑制でき、リークの発生が抑制される。
　本実施形態では、複数のスペーサ１６の全てが、発電時における燃料電池セル２の変形に伴って変形するように構成されている（図６）。これにより、複数のスペーサ１６の束の剛性を低下させることができ、燃料電池セルへの応力の集中を抑制することができる。
　本実施形態では、複数のスペーサ１６は、燃料ガスの流路（貫通孔１６ａ）を備えるスペーサ１６と、空気の流路（貫通孔１６ｂ）を備えるスペーサ１６とを有し（図５）、接着剤層は、一の燃料電池セル２と燃料ガスの流路を備えるスペーサ１６との間に設けられており、一の燃料電池セル２と空気の流路を備えるスペーサとの間に接着剤層１５が設けられていない（図１１）。空気側のスペーサ１６は、燃料電池セル２には接合されていないため、燃料電池セル２が変形したとしても、すべりにより応力を開放でき、シール部にリークが生じることを抑制できる。
　本実施形態では、一の燃料電池セル２と空気の流路を備えるスペーサ１６との間にガスケット材１７が配置されている（図１２）。一の燃料電池セル２と空気の流路を備えるスペーサ１６との間にガスケット材が存在することによりシール性を向上させることができる。
　なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１…燃料電池スタック
２…燃料電池セル
２ａ…流路構成部
２ｂ～２ｅ…発電部
４…接合部
４ａ…導電部
４ｂ…シール部
５…セパレータ
５ａ，５ｂ…貫通孔
５ｃ…インターコネクタ
６…燃料極層
６ａ，６ｂ…スリット
７…固体酸化物電解質層
７ａ，７ｂ…貫通孔
８…空気極層
８ａ，８ｂ…スリット
９…セパレータ
９ａ，９ｂ…貫通孔
９ｃ…インターコネクタ
１１…金属板
１２…導電層
１３…導電シート
１５…接着剤層
１６，１６ｘ，１６－１～１６－３…スペーサ
１６ａ，１６ｂ…貫通孔
１７…ガスケット材

Claims (8)

  1. 　複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、
    　一の燃料電池セルと他の燃料電池セルとの間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサと、
    　一の燃料電池セルとスペーサとを接着する接着剤層と、を有し、
    　前記スペーサは複数積層されており、前記一の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における前記一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成された、
    　燃料電池スタック。
  2. 　前記一の燃料電池セル側に配置されるスペーサの曲げ剛性が、350Ｎ・ｍｍ２以下である、
    請求項１記載の燃料電池スタック。
  3. 　前記一の燃料電池セル側に配置されるスペーサの厚さが、０．７ｍｍ以下である、
    請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
  4. 　前記一の燃料電池セルは、発電時において前記スペーサと反対側が凸面となるように変形する、
    請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
  5. 　前記一の燃料電池セル側に配置されるスペーサに加えて前記他の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における前記他の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成された、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
  6. 　複数の前記スペーサの全てが、発電時における燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成された、
    請求項１～５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
  7. 　複数の前記スペーサは、燃料ガスの流路を備えるスペーサと、空気の流路を備えるスペーサとを有し、
    　前記接着剤層は、前記一の燃料電池セルと前記燃料ガスの流路を備えるスペーサとの間に設けられており、前記一の燃料電池セルと前記空気の流路を備えるスペーサとの間に接着剤層が設けられていない、
    請求項１～６のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
  8. 　前記一の燃料電池セルと前記空気の流路を備えるスペーサとの間にガスケット材が配置されている、
    請求項７に記載の燃料電池スタック。
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