JP5023429B2

JP5023429B2 - 平板積層型燃料電池

Info

Publication number: JP5023429B2
Application number: JP2005011244A
Authority: JP
Inventors: 直也村上; 尚史小谷; 紀一駒田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2025-01-19
Also published as: JP2006120589A

Description

本発明は、平板積層型燃料電池に関し、詳しくは、積層体の各発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性を両立させた平板積層型燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタック化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成される。
上記セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると同時に発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に、燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス通路と、酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス通路とを備える。このような平板積層型の燃料電池は、例えば、特許文献１に開示されている。

外部反応用ガスをセパレータに供給するためのガス導入機構として、特許文献１に開示されるような、燃料電池スタックの外周に外部マニホールドを設け、多数の接続管を介して各セパレータに各ガスを供給する構造と、図５に示されるような、厚さ数ｍｍのステンレス板等で構成される各セパレータ８の周縁部にガス孔１３、１４を設け、このガス孔から各ガス通路１１、１２を通して各発電セルの各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するようにした内部マニホールド構造とが知られている。
尚、内部マニホールドでは、図３に示すように、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、各セパレータ間に介在されたリング状の絶縁性ガスケット１５、１６によって連通される。
特開２００４−５５１９５号公報

ところで、平板積層型燃料電池は、複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータ等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性が要求される。特に、内部マニホールドの場合は、各構成要素の密着性に加え、ガスケット部分のガスシール性も要求される。
このため、平板積層型燃料電池の場合は、スタック組立後にその両端より積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造と成されており、例えば、特許文献１では、スタック上下端に配した締付板をボルトにて締め付けすることにより積層体を一括して加重している。

ところが、特に、内部マニホールド構造では、スタック中央の発電部分とスタック縁部のマニホールド部分とで積層される構成要素が異なるため、マニホールド部分と発電部分を締付板を用いて上下より締め付けると、剛性の高いセパレータ板をもってその縁部と中央部が同じ変位量で締め付けられることから、双方の高さの違いが起因して各部の締め付けが不十分となり、各構成要素の密着性が損なわれるという問題がある。
この結果、発電部分では密着不良により電気的な接触抵抗が増大し、発電性能や発電効率の低下を招くことになり、また、マニホールド部分では、ガスケットとガス孔のシール性が低下し、ガス漏れによる発電性能の低下を招くことになる。

尚、過大な締め付けは各構成要素の高温クリープを促進し、発電セルの破損を招く恐れがあるため、スタックの締め付けは、発電部分の電気的な接触性とマニホールド部分のガスシール性を確保するのに十分で、且つ、最小にするのが好ましい。

本発明は、このような問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタックにおける発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性の向上を図った平板積層型燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、固体電解質層の一方の面に燃料極層が形成されるとともに他方の面に空気極層が形成された発電セルと、上記燃料極層側および空気極層の外側に配されるとともに上記燃料極層側に燃料ガスを供給する燃料ガス通路および上記空気極層側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成されたセパレータを交互に積層した燃料電池スタックの上下端部に、各々上締付板および下締付板を配設して成る平板積層型燃料電池において、上記セパレータは、上記発電セルが位置する部分と、当該部分から外方に延出する一対の連結部分と、これら連結部分の先端部に形成されて各々上記燃料ガス通路または酸化剤ガス通路と連通するガス孔が穿設されたマニホールド部分とを有し、上記マニホールド部分が絶縁性のガスケットを間に介して積層されることにより上記積層方向に貫通する上記燃料ガスまたは酸化剤ガス用の内部マニホールドが形成されるとともに、上記下締付板は、平板状に形成され、かつ上記上締付板は、中央部分に上記セパレータの上記発電セルが位置する部分が露出する孔が形成され、これら上下締付板の周縁部同士がボルトによって締め付けられることにより上記内部マニホールドを構成する上記マニホールド部分と上記ガスケットとが機械的に密着・接合されるとともに、上記孔内に錘が配設されることにより上記セパレータの上記発電セルが位置する部分と上記発電セルとが密着されてなり、かつ前記セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に、上記発電セルが位置する部分と上記マニホールド部分との高さのバラツキを吸収し得る可撓性を持たせたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の平板積層型燃料電池において、前記連絡部分の少なくとも一部を幅狭・肉薄としたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載の平板積層型燃料電池において、前記連絡部分をセパレータの周縁に沿う細長帯状としたことを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の平板積層型燃料電池において、前記連絡部分に断熱材または断熱塗料を用いた断熱処理を施したことを特徴としている。

ここで、請求項１から請求項３に記載の構成では、セパレータに掛かる荷重をマニホールド部分と発電セルが位置する部分とに分離することができ、これにより、マニホールド部分と発電セルの位置する部分の高さのバラツキ等を吸収して双方を確実に加重することができる。その結果、マニホールド部分と発電セルの位置する部分のそれぞれに最適な荷重を掛けることができ、積層体を構成する各発電要素相互の密着性とマニホールド部分のガスシール性が向上し、発電性能および発電効率の向上が図れる。
また、請求項４に記載の構成では、断熱材や断熱塗料により連絡部分を断熱処理することにより、マニホールドからの反応用ガスがこの連絡部分を通過する間に加熱、または冷却されるのが抑制でき、よって、反応用ガスはマニホールド内に導入された好適温度の状態で発電セルに供給されることになり、これにより、発電セル部分の温度が安定し、各発電要素の密着性は向上する。

以上説明したように、本発明によれば、セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分を繋ぐ連絡部分に荷重に対する可撓性を持たせたので、セパレータに掛かる荷重をマニホールド部分と発電セルが位置する部分とに分けることができ、これにより、マニホールド部分と発電セルの位置する部分の高さのバラツキ等を吸収して双方を好適荷重にて締め付けることができる。
その結果、各発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性が向上し、発電性能と発電効率の向上が図れる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図２は本発明に係るセパレータの構造を示し、図３は本発明に係る単セルの構成を示している。

図３に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成されている。

これら発電要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

上記セパレータ８は、厚さ２〜３ｍｍのステンレス板で構成され、、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部１１ａから吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中央１２ａから吐出する酸化剤ガス通路１２を有する。

また、セパレータ８の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようなっている。尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結されている。

本実施形態のセパレータは、例えば、図２に示すように、左右のマニホールド部分８ａ、８ａと中央の発電セル５が位置する部分８ｃとを繋ぐ連絡部分８ｂ、８ｂを肉薄・幅狭として積層方向の加重に対してある程度の可撓性を持たせた構造として、スタック組立後にセパレータ８に掛かる荷重をマニホールド部分８ａと発電セル５が位置する部分８ｃとに分離させるようにしたもので、この点が図５に示した全体的に高い剛性を有する従来型と相違している。

連絡部分に可撓性を持たせることにより、構成要素の積層・組立で生じる周縁のマニホールド部分８ａと中央の発電セル５の位置する部分の高さバラツキ等を吸収して各部８ａ、８ｃが個々に確実な状態で加重されるようになる。即ち、上記した各部分８ａ、８ｃは相互に影響を及ぼすことなく個々に加重される。
その結果、好適荷重により、積層体を構成する各発電要素の密着性とガスケット部分のガスシール性が向上し、発電性能および発電効率の向上が図れる。

上記構成の単セル１０を、間にガスケット１５、１６を介在して順次積層していくことにより、図１に示す平板積層型の燃料電池スタック１が構成される。この燃料電池スタック１の上下両端に締付板２０ａと締付板２０ｂが配設されている。
上締付板２０ａはドーナツ状を成し、この締付板２０ａをスタックの上端部に配置すると、中央部の孔２３よりセパレータ８の中央部分、即ち、発電セルが位置する部分８ｃが露出するようになっている。一方、下締付板２０ｂは円板状を成し、スタックの底部を下方より支持する。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、スタック上下両端に締付板２０ａ、２０ｂを配してその周縁部がボルト２１にて締め付けされ、その強力な締め付け荷重により、主にスタック各層のマニホールド部分８ａ、８ａにおいて、セパレータ８のガス孔１３、１４と各ガスケット１５、１６を機械的に密着・接合させる。締め付け荷重により、各々のガスケット１５、１６がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１３、１４を介して積層方向に連結されることにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス用の管状マニホールドと酸化剤ガス用の管状マニホールドの２系統が形成される。
尚、発電時、各管状マニホールドには、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通し、各ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より各ガス通路を介して各発電セル５の各電極面に分配・誘導される。

また、上締付板２０ａの中央部（孔２３の部分）には、縁部材２４を介在して錘２２が配設されており、この錘２２による積層方向の荷重によりセパレータ８の中央部分８ｃが押圧されることにより、単セル１０を構成する複数の発電要素が相互に密着させられて一体的に固定される。
尚、セパレータ８間に介在されている燃料極集電体６と空気極集電体７はスポンジ状の多孔質焼結金属とされるから、錘２２の荷重でこれらスポンジ状部材が弾性変形し、上下セパレータ８の間にある程度の弾力を持って圧接・挟持された状態となっている。
このため、錘２２による発電部分の荷重は、上記したボルト２１によるマニホールド部分８ａの強力な締め付け荷重に比べて極端に少なくしても発電要素間に良好な電気的接触性が得られることになり、荷重による各発電要素のダメージを極力軽減できる。

このように、本発明の燃料電池スタック１では、セパレータ８のマニホールド部分８ａと発電セル５の位置する部分８ｃのそれぞれに他の部分に影響を与えずに最適荷重を掛け得る構造としている。この結果、スタックを構成する各発電要素の密着性とマニホールド部分８ａのガスシール性をより一層向上した状態で両立させることが可能となる。

このような加重構造は、セパレータ８に設けた連絡部分８ｂの奏する可撓性により可能となるものであり、実施形態の燃料電池スタック１では、図１（ａ）に示すような連絡部分８ｂを細長帯状としたセパレータ８を用いている。
当セパレータ８も、マニホールド部分８ａと発電セル５が位置する部分８ｃとの連絡部分８ｂに荷重に対する可撓性を持たせた点は図２のセパレータ８の場合と同様であるが、本実施形態で連絡部分８ｂをセパレータ８に沿う細長帯状とすることにより、図２のように連絡部分８ｂの肉厚を他の部分より薄くしなくともが優れた可撓性が得られること、セパレータ８自体をコンパクトに纏められること等のメリットを有する。

尚、燃料電池スタック１に掛ける積層方向の荷重は構成要素の高温クリープ等を考慮して各発電要素の電気的接触性とガスケットのシール性を確保可能な必要最小限に設定することが好ましく、本実施形態では、縁部のマニホールド部分８ａは数百ｋｇｆ程度に、中央部の発電部分８ｃは数ｋｇｆ程度の荷重が設定されている。

また、図１、図２において、セパレータ８の連絡部分８ｂの表面に図示しない断熱材や断熱塗料を用いた断熱処理を施すこともできる。連絡部分８ｂに断熱処理を施すことにより、各マニホールドからの反応用ガスがこの連絡部分８ｂを流通・通過する間に加熱、または冷却されるのが抑制でき、よって、反応用ガスはマニホールド内に導入された好適温度の状態でマニホールド部分８ａより発電セル５に供給されることになり、これにより、発電セル部分８ｃの温度が安定し、各発電要素の密着性は向上する。

以上、本実施形態では円板状のセパレータ８を用いたが、セパレータ８の形状はこれに限定されるものではなく、例えば、図４に示すような四角形状のセパレータ８としても勿論構わない。本構成においても、図１（ａ）と同様に、マニホールド部分８ａと発電セル５が位置する部分８ｃとの連絡部分８ｂを細長帯状として荷重に対する可撓性を持たせている。当連絡部分８ｂにおいても、上記した断熱処理を施すことは勿論可能である。

尚、図４において、セパレータ８内部には、反応用ガスが流通する燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２がそれぞれ渦巻状に、且つ、それぞれが交差しないように入れ子状態に形成されている。従って、セパレータ８内に導入された反応用ガスは渦巻状に形成された各ガス通路１１、１２を通してセパレータ８内部の全域に流通する過程でセパレータ８と効率良く熱交換し、セパレータ８は面方向の全域に亘って均一に加熱される。よって、発電セル部分８ｃの温度はより安定し、各発電要素の密着性はより向上する。

本発明が適用された平板積層型固体酸化物形燃料電池の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図。本発明に係るセパレータの構造を示す図。本発明に係る単セルの構成を示す図。本発明に係る図２とは別のセパレータの構造を示す図。従来のセパレータの構造を示す図。

符号の説明

１積層体（燃料電池スタック）
５発電セル
８セパレータ
８ａマニホールド部分
８ｂ連絡部分
８ｃ発電セルが位置する部分
１１、１２ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）

Claims

固体電解質層の一方の面に燃料極層が形成されるとともに他方の面に空気極層が形成された発電セルと、上記燃料極層側および空気極層の外側に配されるとともに上記燃料極層側に燃料ガスを供給する燃料ガス通路および上記空気極層側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成されたセパレータを交互に積層した燃料電池スタックの上下端部に、各々上締付板および下締付板を配設して成る平板積層型燃料電池において、
上記セパレータは、上記発電セルが位置する部分と、当該部分から外方に延出する一対の連結部分と、これら連結部分の先端部に形成されて各々上記燃料ガス通路または酸化剤ガス通路と連通するガス孔が穿設されたマニホールド部分とを有し、上記マニホールド部分が絶縁性のガスケットを間に介して積層されることにより上記積層方向に貫通する上記燃料ガスまたは酸化剤ガス用の内部マニホールドが形成されるとともに、
上記下締付板は、平板状に形成され、かつ上記上締付板は、中央部分に上記セパレータの上記発電セルが位置する部分が露出する孔が形成され、これら上下締付板の周縁部同士がボルトによって締め付けられることにより上記内部マニホールドを構成する上記マニホールド部分と上記ガスケットとが機械的に密着・接合されるとともに、上記孔内に錘が配設されることにより上記セパレータの上記発電セルが位置する部分と上記発電セルとが密着されてなり、
かつ前記セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に、上記発電セルが位置する部分と上記マニホールド部分との高さのバラツキを吸収し得る可撓性を持たせたことを特徴とする平板積層型燃料電池。
前記連絡部分の少なくとも一部を幅狭・肉薄としたことを特徴とする請求項１に記載の平板積層型燃料電池。
前記連絡部分をセパレータの周縁に沿う細長帯状としたことを特徴とする請求項１に記載の平板積層型燃料電池。
前記連絡部分に断熱材または断熱塗料を用いた断熱処理を施したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の平板積層型燃料電池。