JP5097360B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
このように固体電解質形燃料電池セルは、2種のガスを用い、しかも高温に曝されるため、高温においてもガスが漏出しないように、ガスの供給管やセルにおけるシール性について種々の改良がなされている。例えば、従来、合金製のガスマニホールドの側面に合金製のガス供給管を接合し、上面が開口した直方体形状のガスマニホールド本体の前記開口部に、セルスタックの支持板を接合したセルスタック装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この燃料電池では、セルスタックは、多数のセル挿入孔が形成された合金製支持板の前記セル挿入孔に燃料電池セルを挿入し、その隙間にガラス材料を充填し、支持板が気密にガスシールされた状態でガスマニホールドに接合されていた。
このような燃料電池では、例えば、水素等の燃料ガスがガス供給管を介してガスマニホールド内に供給され、この燃料ガスが、セルスタックを構成する燃料電池セル内部に形成されたガス通路に供給され、一方で、燃料電池セルの外部には空気が供給され、固体電解質層が燃料極層と空気極層で挟持された発電部において発電することができる。
また、前記合金製のマニホールドを用いないで、燃料電池セルの端部にガスを供給する孔をあけ、孔同士をリング形状のスペーサーを介して接続し、ガラス等のシール部材にて接着、封止した燃料電池スタックが提案されている(特許文献2参照)。このような燃料電池スタックでは、例えば、水素等の燃料ガスがスペーサー内に供給され、この燃料ガスが、セルスタックを構成する燃料電池セル内部に形成されたガス通路に供給され、一方で、燃料電池セルの外部には空気が供給され、固体電解質層が燃料極層と空気極層で挟持された発電部において発電することができる。
このため、複数の燃料電池セルの軸長方向一端部をガラス材料により一体化し、複数の燃料電池セルをガラス材料からなる矩形状のセル支持板に立設してセルスタックを形成し、このセルスタックを、上面が開口した合金製マニホールドの開口部にガラス材料により接合することも考えられるが、この場合においても、ガラス材料からなるセル支持板と合金製マニホールドとの熱膨張係数差により、燃料電池作製時や発電時においてガラス材料からなるセル支持板にクラックや剥離等が生じるおそれがあり、ガスマニホールドのシール性および強度に問題がある。
本発明の目的は、金属部材や接続用のリング等のスペーサーを用いることなく、ガスの耐リーク性に優れるとともに、強度にも優れた燃料電池スタックを提供することにある。
(1)細長基板状の燃料電池セルの長手方向の一端部に、該燃料電池セルの一方の面から他方の面まで貫通した貫通孔を有し、前記貫通孔が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セルを束ねた燃料電池スタックにおいて、前記複数の燃料電池セルの内部にはそれぞれ長手方向にガス流路を有するとともに、前記複数の燃料電池セルの貫通孔を有する一端部がシール部材にて一体化され被覆封止されており、前記シール部材の内部に前記貫通孔同士が連通したガス供給路を形成し、該ガス供給路に前記ガス流路が連通していることを特徴とする燃料電池スタック。
(2)前記燃料電池セルの一端部底面まで前記シール部材にて被覆封止されていることを特徴とする(1)に記載の燃料電池スタック。
(3)ガス導入パイプが、前記ガス供給路に連通するように前記シール部材に接合されていることを特徴とする(1)または(2)に記載の燃料電池スタック。
(4)複数の前記燃料電池セルが、長手方向の向きを交互に変えて配設されていることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の燃料電池スタック。
(5)前記シール部材は、無機材料からなることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の燃料電池スタック。
(6)略円形の前記貫通孔から、発電する領域を介した長手方向の他方の先端部までのガス流路の距離がそれぞれ略同一になるように、前記他方の先端部が膨出した形状を有することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の燃料電池スタック。
上記(3)によれば、外部からのガスを導入するパイプはシール部材により被覆接合されているため、シール部位が耐リーク性に優れる。
上記(4)によれば、貫通孔が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セルを束ねる際、長手方向の向きを交互に変えて配設することにより、発電性能の向上した燃料電池スタックを効率よくコンパクトな容積に収容でき、単位体積当たりの出力を向上させることができる。
上記(5)によれば、シール部材が無機材質からなるため、シール部位が耐リーク性に優れるとともに、強度にも優れ、高い信頼性を得られる。
上記(6)によれば、燃料電池セル内のガス流路において、貫通孔の境界部分から、発電する領域を介した他方の先端部までのガス流路の距離を同一距離とすることにより、各ガス流路の圧損を等しくできるので、均一な流量を保持でき、発電性能を向上できる。
燃料電池セル40は、例えば、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状(中空平板型)であり、細長基板状とされており、その内部には複数のガス流路41aが長さ方向に貫通して形成されている。燃料電池セル40については後述する。
燃料電池スタック10は、燃料電池セル40を、その側面同士が対向するようにしてセル厚み方向に配列され、その燃料電池セル40間には、燃料電池セル40同士を直列に電気的に接続する集電部材14が配置されている。
一方、シール部材11は、絶縁性無機材料、例えば結晶化ガラスからなり、図1(b)に示すように、前記シール部材11内部には燃料電池セル40の一端部にある貫通孔12同士が円柱状の空間をなして連通しているガス供給路13が形成されている。ガス流路41aはガス供給路13と連通している。前記シール部材11の一方の側面は、前記ガス供給路13にガスを供給するガス導入パイプ15が接合されており、該ガス導入パイプ15は、パイプ部15bと、このパイプ部15bの先端に形成されたフランジ部15aからなり、フランジ部15aがシール部材11に接合されている。なお、フランジ部15aは前記シール部材11と同一材料もしくはガス導入パイプ15の構成部材とシール部材11との中間の熱膨張係数を有する材料により一体化して被覆封止されることが望ましい。
なお、フランジ部15aは必ずしも被覆されている必要はない。また、ガス導入パイプ15は耐熱性合金により形成するのが好ましいが、フランジ部15aをセラミックまたはガラス等の無機材料で形成することができ、この場合には、フランジ部15aをシール部材11に当接した状態で接合することができる。
以上のように構成された燃料電池スタック10は、図2に示すようにして作製することができる。なお、図2では、燃料電池セル40の一部を省略し、また、集電部材14も省略した。
先ず、図2(a)に示すように、上面が開口した有底直方体状のシール部材11の成形型31を準備する。この成形型31内に無機材質からなるペースト、例えばガラスペーストを流し込み、自然放置、あるいは乾燥機にて100℃程度の温度で乾燥させ、所定の厚さの接合層11aを形成しておく。流し込んだガラスペーストを仮焼しても良い。また、ガラスペーストを流し込む代わりに板状ガラスを配置しても良い。
なお、成形体の取り扱いが可能になる程度に仮焼した後、中子30を引きだし、成形型31を取り外し、この後に焼成しても良い。
そして、図1(c)に示すように、ガス供給路13が開口した側面に、前記フランジ部15aを当接し、フランジ部15aをシール部材11と同じ材質のスラリーで被覆封止する。そして、乾燥させて焼成し、本発明の燃料電池スタック40を作製することができる。
シール部材11の熱膨張係数は、燃料電池セル中で占める割合が大きい多孔質支持基板41の熱膨張係数に対して±1ppm以内とすることが望ましい。このように、熱膨張係数を燃料電池セルに近づけるという点では、シール部材11を構成する結晶化ガラスとして、多孔質支持基板41を構成する材料を10〜30質量%添加することが望ましい。
本発明の燃料電池スタックの他の実施形態について、図を参照して、説明する。図3は、本発明に係る燃料電池スタックの他の形態を示すものである。前記燃料電池スタック10は、長手方向にガス流路41aを有する板状の固体電解質形燃料電池セル40を複数配列して、前記貫通孔12が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セル40を束ねる際、図3に示すように、長手方向の向きを交互に変えて配設し、複数の前記貫通孔12を有する一端部がシール部材11にて一体化して被覆封止されて構成されている。なお、図3で燃料電池セル40は一部省略し簡略化して記載した。
また、前記燃料電池スタック10は、上記した一実施形態と同様の方法にて作製することができる。
例えば、予め燃料電池セル40のガス流路41a一端部へのシール部材11の侵入を防止するため焼成にて消失するパラフィンワックス等の有機物を充填する。燃料電池セル40の貫通孔12に予め中子30を嵌入する。そして、それらを燃料電池セル40の厚み分の切り込みを燃料電池セル40の挿入位置に合わせて形成された有底成形型31に、切り込みの底がセル側面R部に接触するまで挿入する。そしてシール部材11のスラリーを燃料電池セル40側面の他の一方のR部上面を覆うまで流し込む。
本発明で用いられる燃料電池セル40について、図を参照して、説明する。燃料電池セル40は、図5に示すように中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て棒状で細長基板状の多孔質支持基板(支持体)41を備えている。支持基板41の内部には、適当な間隔で4個の燃料ガス流路41a(ガス流路を形成する)が長さ方向(軸長方向)に貫通して形成されており、燃料電池セル40は、この支持基板41上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル40の複数を、図1に示すように、一列に配列して燃料電池スタック10を形成することができる。
また、燃料極層42及び固体電解質層43が積層されていない平坦部Aの他方側の主面には、インターコネクタ45が形成されている。図5から明らかな通り、燃料極層42及び固体電解質層43は、インターコネクタ45の両サイドにまで延びており、支持基板41の表面が外部に露出しないように構成されている。
空気極層44: 1/2O2+2e- → O2- …(1)
燃料極層42: O2-+H2 → H2O+2e- …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板41に取り付けられているインターコネクタ45を介して集電される。
一方、アルミナ系繊維からなる断熱材を用いて、縦100mm×横40mm×高さ50mmの容積を有する厚さ5mmの箱形状の成形型31を形成した。そしてその成形型31の底面に厚さ5mmになるよう硼珪酸ガラスからなるガラスペーストを流入し、乾燥させた。
次に、前記燃料電池セル40を積層した燃料電池スタック10を、貫通孔12部を下にして前記成形型31上に載置した。そして、ガラスペーストを中子30の上2mmの高さまで流し込み、乾燥させた後、900℃で焼成した。焼成後、前記成形型31および中子30を除去した。
得られた燃料電池セルスタック10の燃料電池セル40のシール材11に埋設された他方のガス流路41aをテープ等にて塞ぎ、ガス導入パイプ15より、20kPaに加圧された空気を導入した。そして、シール部分およびガス導入パイプ15接合部に石鹸水を塗布し、泡の発生の有無を目視により測定し、ガスリークのないことを確認した。
11 シール部材
11a 接合層
12 貫通孔
13 ガス供給路
14 集電部材
15 ガス導入パイプ
15a フランジ部
15b パイプ部
30 中子
31 成形型
40 燃料電池セル
41a ガス流路
Claims (6)
- 細長基板状の燃料電池セルの長手方向の一端部に、該燃料電池セルの一方の面から他方の面まで貫通した貫通孔を有し、前記貫通孔が一方向に並ぶように複数の前記燃料電池セルを束ねた燃料電池スタックにおいて、前記複数の燃料電池セルの内部にはそれぞれ長手方向にガス流路を有するとともに、前記複数の燃料電池セルの貫通孔を有する一端部がシール部材にて一体化され被覆封止されており、前記シール部材の内部に前記貫通孔同士が連通したガス供給路を形成し、該ガス供給路に前記ガス流路が連通していることを特徴とする燃料電池スタック。
- 前記燃料電池セルの一端部底面まで前記シール部材にて被覆封止されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタック。
- ガス導入パイプが、前記ガス供給路に連通するように前記シール部材に接合されていることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池スタック。
- 複数の前記燃料電池セルが、長手方向の向きを交互に変えて配設されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池スタック。
- 前記シール部材は、無機材料からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池スタック。
- 略円形の前記貫通孔から、発電する領域を介した長手方向の他方の先端部までのガス流路の距離がそれぞれ略同一になるように、前記他方の先端部が膨出した形状を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の燃料電池スタック。
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