JP4890843B2 - 燃料電池セルスタック及び燃料電池セルスタックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルスタック及び燃料電池セルスタックの製造方法に関する。

従来の此種燃料電池セルスタックとして、例えば、本願出願人が既に出願している特願２００４−１５５２０２があげられる。この燃料電池セルスタックは、セル下端を支持固定してシールしたセル支持板をマニホールド本体段差に係合させシールしたものである。
この燃料電池セルスタックは、段差部により接合面積が増加することにより、接合強度を向上させ、マニホールド内のガスの漏出を防止できるものである。

然しながら、前記燃料電池セルスタックは、次のような問題点がある。
（１）セル支持板、マニホールド本体が共に金属の場合、特に、マニホールド本体が大型化すると、熱膨張による変形により、シール不良が起こる虞がある。又、セル形状の穴の開いたセル支持板の場合、セル間の絶縁性が問題となる。
（２）セル支持板が非金属（ガラス）、マニホールド本体が金属の場合、マニホールド本体が大型化すると、マニホールド本体の変形量が大きくなり、セル支持板とのシール不良が起こりやすくなる。
（３）セル支持板、マニホールド本体が共に非金属（ガラス）の場合、マニホールドが大型化すると、高温時の強度低下、変形が問題となる。

そこで、マニホールドが大型化しても、シール不良や、変形が起こらないマニホールド構造が求められている。

以上の現状に鑑み、本発明は、セラミックガスマニホールドを補強できると共に、セラミックガスマニホールドが大型化しても破損及びシール不良を防止できる燃料電池セルスタック及び燃料電池セルスタックの製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、軸長方向にガス流路を有する複数の燃料電池セルが天板上に所定間隔を置いて配列されると共に、前記燃料電池セルの軸長方向一端部が前記天板に接合されてなる中空体状のセラミックガスマニホールドと、
一側部にガス供給管が接合されると共に、前記ガス供給管が接合される一側部の内側面に前記セラミックガスマニホールドの一外側部が接合され、且つ、前記セラミックガスマニホールドの他外側部及び／又は底部を耐熱性緩衝材を介して支持する金属又は合金製の支持部材と、を具備することを特徴とする燃料電池セルスタックを提供するものである。

請求項２に係る発明は、前記セラミックガスマニホールドは、前記複数の燃料電池セルを配列させて接合するセル支持板である天板と、
上面が開口して開口部が形成され、前記開口部に前記天板が気密に接合される容器形状のガスマニホールド本体と、を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタックを提供するものである。

請求項３に係る発明は、前記支持部材は上面が開口した容器形状に形成され、前記支持部材内部に前記セラミックガスマニホールドが収容されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルスタックを提供するものである。

請求項４に係る発明は、前記支持部材と、前記セラミックガスマニホールド間の接合されない隙間部に耐熱性緩衝材が介装されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セルスタックを提供するものである。

請求項５に係る発明は、上面が開口した金属又は合金製の容器の一側部にガス供給管となる金属配管を貫通させて接合する工程と、前記金属配管が貫通する一側部を除く前記容器の他内側部及び内底部にセラミックスラリーと濡れ性の悪い耐熱性緩衝材となる外鋳型を配置する工程と、前記外鋳型と所定間隔離間させてセラミックスラリーと濡れ性の悪い内鋳型を配置する工程と、前記外鋳型と前記内鋳型の間隙にセラミックスラリーを流し込み焼成する工程と、焼成後、内鋳型を取り除いて上面が開口したマニホールド本体を作製する工程と、
前記マニホールド本体上部に、複数の燃料電池セルの軸方向一端部が接合されたセル支持板を天板として、セラミックスラリーを介して載置する工程と、前記セラミックスラリーを焼成して、前記マニホールド本体上部に前記セル支持板を接合させる工程と、を具備することを特徴とする燃料電池セルスタックの製造方法を提供するものである。

本発明の請求項１記載の発明によれば、支持部材のガス供給管が接合される一側部の内側面にセラミックガスマニホールドの一外側部が接合されるので、互いの接合面積が少なくて済み、且つ、セラミックガスマニホールドの他外側部及び／又は底部を支持部材が耐熱性緩衝材を介して支持するので、セラミックガスマニホールドを支持部材によって補強できると共に、マニホールドが大型化した場合でも、セラミックガスマニホールドと、支持部材との熱膨張差から生じる変形を防止することができ、セラミックガスマニホールドの破損及びシール不良を防ぐことができると共に、セラミックガスマニホールドを確実に支持することができる。又、支持部材にガス供給管を接合するので、ガス供給管による振動を抑止でき、ガス供給管の振動によるセラミックガスマニホールドの破損及びシール不良を防止できる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加え、セラミックガスマニホールドは、セル支持板である天板と、上面の開口部に天板が気密に接合される容器形状のガスマニホールド本体とを具備するので、簡素な構成であり、製造も容易である。

請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、セラミックガスマニホールドが上面開口の容器形状の支持部材に収容されるので、セラミックガスマニホールドが容器形状の支持部材によって広い面積で保護され、且つ、補強される。

請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明の効果に加え、広い面積の耐熱性緩衝材によって、セラミックガスマニホールドを保護することができ、且つ、セラミックガスマニホールドと、支持部材との熱膨張差から生じる変形を防止することができ、セラミックガスマニホールドの破損及びシール不良を防ぐことができる。

請求項５記載の発明によれば、支持部材となる容器の一側部に接合し、容器の他内側部及び内底部に耐熱性緩衝材を介して支持されるマニホールド本体を容易に製作することができ、容器とマニホールド本体との互いの接合面積が少なくて済み、容器と、マニホールド本体との熱膨張差から生じる変形を前記耐熱性緩衝材によって防止することができ、製造時に於けるマニホールド本体の破損及びシール不良を防ぐことができると共に、金属又は合金製の容器にマニホールド本体を確実に支持することができる。
又、マニホールド本体上部にセル支持板を接合させる方法であるので、製造も容易である。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１に於いて、１は本発明の燃料電池セルスタックであり、燃料電池セルスタック１は、軸長方向にガス流路（図示せず）を有する複数の燃料電池セル２，２…が天板３上に所定間隔を置いて配列されると共に、燃料電池セル２，２…の軸長方向一端部が天板３に貫通状態に接合されてなる中空体状のセラミックガスマニホールド４と、一側部７ａ（図に於いて右側部）にガス供給管５が貫通状態に接合されると共に、ガス供給管５が接合される一側部７ａの内側面にセラミックガスマニホールド４の一外側部４ａ（図に於いて右外側部）が接合され、且つ、セラミックガスマニホールド４の他外側部４ｂ｛図に於いて左外側部及び前後外側部（図示せず）｝及び底部４ｃ（図に於いて下底面）を耐熱性緩衝材６を介して支持する金属又は合金製の支持部材７とを具備している。
尚、前記ガス供給管５は、支持部材７の一側部７ａを貫通して設ける必要は必ずしもなく、例えば、ガス供給管５を支持部材７の一側部７ａに貫通しないように設け、セラミックガスマニホールド４の一外側部４ａにガス供給管５と連通する貫通孔を設けても良い。

そして、前記セラミックガスマニホールド４は、結晶化ガラス等のガラスセラミックスを含むセラミックスから成るガスマニホールドであり、複数の燃料電池セル２，２…を配列させて貫通状態に接合するセル支持板である天板３と、上面が開口して開口部８ａが形成され、開口部８ａに天板３が気密に接合される例えば直方体容器形状のガスマニホールド本体８とを具備している。

更に、前記支持部材７は上面が開口した例えば直方体容器形状に形成され、支持部材７内部にセラミックガスマニホールド４が収容されるように構成されている。
そして、前記支持部材７と、セラミックガスマニホールド４間の接合されない隙間部、即ち、セラミックガスマニホールド４の他外側部４ｂ（左外側面及び前後外側面）と、支持部材７の他内側部７ｂ（左内側面及び前後内側面）及び内底部７ｃとの間の全ての隙間部に耐熱性緩衝材６が介装されている。

而して、前記燃料電池セルスタック１の作用を説明すると、ガス供給管５から供給される燃料ガスが、セラミックガスマニホールド４内の中空部４ｄ内に流入し、中空部４ｄ内から複数の燃料電池セル２，２…のガス流路に流入する。

斯くして、本発明の燃料電池セルスタック１によれば、支持部材７のガス供給管５が接合される一側部７ａのみにセラミックガスマニホールド４の一外側部４ａが接合されるので、互いの接合面積が少なくて済み、且つ、セラミックガスマニホールド４の他外側部４ｂ及び底部４ｃを耐熱性緩衝材６を介して支持部材７が支持するので、セラミックガスマニホールド４は、支持部材７によって補強されると共に、耐熱性緩衝材６によって、セラミックガスマニホールド４と、支持部材７との熱膨張差から生じる変形を防止することができ、セラミックガスマニホールド４の破損及びシール不良を防ぐことができると共に、セラミックガスマニホールド４を確実に支持することができる。特に、燃料電池セルスタック１が大型化した場合は、その効果は大である。

又、支持部材７にガス供給管５を接合するので、ガス供給管５による振動を支持部材７によって抑止でき、ガス供給管５の振動によるセラミックガスマニホールド４の破損及びシール不良を防止できる。
更に、本発明の燃料電池セルスタック１のセラミックガスマニホールド４は、セル支持板である天板３と、上面の開口部８ａに天板３が気密に接合される容器形状のガスマニホールド本体８とを具備するので、簡素な構成であり、製造も容易である。尚、マニホールド本体８と天板３を、燃料電池セル２，２…をセットした状態で同時に成型し、焼成して、セラミックガスマニホールド４を作製することもできる。

更に又、本発明の燃料電池セルスタック１は、セラミックガスマニホールド４が上面開口の容器形状の支持部材７に収容されるので、容器形状の支持部材７によってセラミックガスマニホールド４が広い面積で保護され、且つ、補強される。

そして、本発明の燃料電池セルスタック１は、支持部材７と、セラミックガスマニホールド４間の接合されない隙間部、即ち、セラミックガスマニホールド４の他外側部４ｂ（左外側部、前後外側部）及び底部４ｃの隙間部に耐熱性緩衝材６が広い面積に渡って介装されるので、耐熱性緩衝材６によって、セラミックガスマニホールド４を広い面積で保護することができ、且つ、セラミックガスマニホールド４と、支持部材７との熱膨張差から生じる変形を防止することができ、セラミックガスマニホールド４の破損及びシール不良を防ぐことができる。
耐熱性緩衝材６としては、セラミックスラリーの溶媒を吸収し易く、且つ、濡れ性の悪い材料を使用できるが、加工容易性や耐熱性の点で、ＳｉＯ_２系、ＳｉＯ_２-Ａｌ_２Ｏ_３系断熱材を好適に使用できる。セラミックスラリーとしては耐熱性や成形体強度の点からホウケイ酸ガラスを好適に使用できる。

尚、前述の説明に於いて、前記ガスマニホールド本体８は、例えば直方体容器形状であると説明したが、これに限定されるものではなく、円筒形容器形状等、他形状に形成されても良く、然る時も同様な効果が期待できる。
同様に、前記支持部材７も、例えば直方体容器形状に形成されると説明したが、これに限定されるものではなく、円筒形等、他形状に形成されても良く、然る時も同様な効果が期待できる。

次に、本発明の燃料電池セルスタック１の製造方法について図２に従って説明する。
まず、上面が開口した金属又は合金製の容器から成る支持部材７の一側部７ａ（図に於いて右側部）にガス供給管５となる金属配管を貫通させて接合し（工程Ｓ１）、ガス供給管５が貫通する一側部７ａを除く支持部材７の他内側部７ｂ及び内底部７ｃにセラミックスラリーと濡れ性の悪い耐熱性緩衝材６となる外鋳型９を所定厚みに配置し（工程Ｓ２）、マニホールド本体８を作製すべく、外鋳型９と所定間隔離間させてセラミックスラリーと濡れ性の悪い内鋳型１０を配置し（工程Ｓ３）、外鋳型９と内鋳型１０の間隙にセラミックスラリー１１を流し込み焼成し（工程Ｓ４）、焼成後、外鋳型９の内鋳型１０を取り除いて上面が開口したマニホールド本体８を作製する（工程Ｓ５）。
尚、前記セラミックスラリー１１は、結晶化ガラススラリー等のガラススラリーを含むセラミックスラリーである。

一方、皿容器状の鋳型１２の内底部１２ａに複数の燃料電池セル２，２…の軸方向一端部を所定間隔離間させて載置し（工程Ｓ６）、鋳型１２内にセル支持板１３となるセラミックスラリー１４を流し込み焼成し（工程Ｓ７）、鋳型１２を取り外して、複数の燃料電池セル２，２…の軸方向一端部が接合されたセル支持板１３を作製する（工程Ｓ８）。

そして、前記マニホールド本体８上部に、複数の燃料電池セル２，２…の軸方向一端部が接合されたセル支持板１３を天板として、セラミックスラリー１５を介して（即ち、載置面にセラミックスラリー１５を塗布して）載置し（工程Ｓ９）、一方、支持部材７の一側部７ａとマニホールド本体８との接合面にもセラミックスラリー１６を流し込み（工程Ｓ１０）、セラミックスラリー１５，１６を焼成して、マニホールド本体８上部にセル支持板１３を接合させる（工程Ｓ１１）と共に、支持部材７の一側部７ａとマニホールド本体８とを接合させ（工程Ｓ１２）、前記燃料電池セルスタック１を製造する（工程Ｓ１３）。
尚、前記セラミックスラリー１４，１５，１６は、結晶化ガラススラリー等のガラススラリーを含むセラミックスラリーであり、スラリー１５，１６はスラリー１４とセラミック成分は同じであるが、スラリー１４よりも粘度を高く調整したものである。

斯くして、前記燃料電池セルスタック１の製造方法によれば、前述した効果を有する燃料電池セルスタック１を容易に製造することができる。特に、本発明の燃料電池セルスタック１の製造方法は、マニホールド本体８上部に天板３としてセル支持板１３を接合させる方法であるので、製造が極めて容易である。又、マニホールド本体８と支持部材７との接合面が少なくてすみ、且つ、マニホールド本体８接合面以外の他側面及び底面は、外鋳型９である耐熱性緩衝材６を介して保持されるので、製造時に於けるマニホールド本体８の破損及びシール不良を防ぐことができる。

尚、前述した工程Ｓ１０で、支持部材７とマニホールド本体８との接合面にセラミックスラリー１６を流し込んだが、前述した工程Ｓ４，Ｓ５に於いて、マニホールド本体８と支持部材７とが充分に接合できる場合には、工程Ｓ１０を省略しても良い。

図３は、前記燃料電池セルスタック（図１に於いて１）の支持部材（図１に於て７）に代えて用いられる変形例の支持部材２１を示し、支持部材２１は、直方体を枠組みで形成する枠組構造体２２の一側部に平板２３を設け、ガス供給管５の一端部を平板２３に貫通状に接合したものである。
而して、支持部材２１の枠組構造体２２内にセラミックガスマニホールド４を収容し、セラミックガスマニホールド４の一端部を平板２３に接合すると共に、セラミックガスマニホールド４と枠組構造体２２との接触部には耐熱性緩衝材６を介装させる。
斯くして、前記支持部材２１によっても、前記支持部材７と同様の効果が期待できる。

このように、本発明の燃料電池セルスタック１に於いて、支持部材７は、ガス供給管５を貫通させて接合する一側部７ａをセラミックガスマニホールド４の一側部に接合し、セラミックガスマニホールド４の他側部及び／又は底部を耐熱性緩衝材６を介して保持できれば良いため、支持部材７は、前述した直方体状の容器、枠組構造体２２に限定されず、種々の形状に形成することができ、然る時も、同様な効果が期待できる。

本発明による燃料電池セルスタックの正面縦断面図である。 本発明による燃料電池セルスタックの製造方法の説明図である。 本発明の変形例の支持部材の斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池セルスタック
２ 燃料電池セル
３ 天板
４ セラミックガスマニホールド
４ａ 一外側部
４ｂ 他外側部
４ｃ 底部
５ ガス供給管
６ 耐熱性緩衝材
７，２１ 支持部材
７ａ 一側部
８ ガスマニホールド本体
８ａ 開口部
９ 外鋳型
１０ 内鋳型
１１，１５，１６ セラミックスラリー
１３ セル支持板

Claims (5)

1. 軸長方向にガス流路を有する複数の燃料電池セルが天板上に所定間隔を置いて配列されると共に、前記燃料電池セルの軸長方向一端部が前記天板に接合されてなる中空体状のセラミックガスマニホールドと、
   一側部にガス供給管が接合されると共に、前記ガス供給管が接合される一側部の内側面に前記セラミックガスマニホールドの一外側部が接合され、且つ、前記セラミックガスマニホールドの他外側部及び／又は底部を耐熱性緩衝材を介して支持する金属又は合金製の支持部材と、を具備することを特徴とする燃料電池セルスタック。
2. 前記セラミックガスマニホールドは、前記複数の燃料電池セルを配列させて接合するセル支持板である天板と、
   上面が開口して開口部が形成され、前記開口部に前記天板が気密に接合される容器形状のガスマニホールド本体と、を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック。
3. 前記支持部材は上面が開口した容器形状に形成され、前記支持部材内部に前記セラミックガスマニホールドが収容されることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルスタック。
4. 前記支持部材と、前記セラミックガスマニホールド間の接合されない隙間部に耐熱性緩衝材が介装されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セルスタック。
5. 上面が開口した金属又は合金製の容器の一側部にガス供給管となる金属配管を貫通させて接合する工程と、前記金属配管が貫通する一側部を除く前記容器の他内側部及び内底部にセラミックスラリーと濡れ性の悪い耐熱性緩衝材となる外鋳型を配置する工程と、前記外鋳型と所定間隔離間させてセラミックスラリーと濡れ性の悪い内鋳型を配置する工程と、前記外鋳型と前記内鋳型の間隙にセラミックスラリーを流し込み焼成する工程と、焼成後、内鋳型を取り除いて上面が開口したマニホールド本体を作製する工程と、
   前記マニホールド本体上部に、複数の燃料電池セルの軸方向一端部が接合されたセル支持板を天板として、セラミックスラリーを介して載置する工程と、前記セラミックスラリーを焼成して、前記マニホールド本体上部に前記セル支持板を接合させる工程と、を具備することを特徴とする燃料電池セルスタックの製造方法。
   

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