JP6077094B1

JP6077094B1 - マニホールド、及び燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6077094B1
Application number: JP2015252091A
Authority: JP
Inventors: 玄太寺澤; 中村　俊之; 俊之中村; 裕己田中; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP2017117659A

Abstract

【課題】燃料電池スタックの倒れを防止する。【解決手段】マニホールド２０は、マニホールド本体３と、蓋部材４と、一対の脚部５と、を備える。マニホールド本体３の底壁３１は、載置面３００上に載置される。一対の第１側壁３２は、底壁３１の長手方向に延びる一対の縁部のそれぞれから上方に延びている。蓋部材４は、燃料電池セル１０の下端部が挿入される挿入孔を有する。蓋部材４は、マニホールド本体３の上面を塞ぐ。一対の脚部５は、各第１側壁３２の外方に配置され、載置面３００と当接するように構成される。【選択図】図４

Description

本発明は、マニホールド、及び燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、マニホールドと、複数の燃料電池セルとを備えている（特許文献１参照）。各燃料電池セルは、マニホールドから上方に延びるように、マニホールドに支持されている。

特開２０１５−１６４０９４号公報

上述したような燃料電池スタックでは、複数の燃料電池セルが上方に延びているため、重心が高くなって不安定になり、倒れてしまうおそれがある。

本発明の課題は、燃料電池スタックの倒れを防止することにある。

本発明の第１側面に係るマニホールドは、燃料電池セルにガスを分配するためのマニホールドである。このマニホールドは、マニホールド本体と、蓋部材と、一対の脚部と、を備える。マニホールド本体は、底壁、及び一対の第１側壁を有する。底壁は、載置面上に載置される。一対の第１側壁は、底壁の長手方向に延びる一対の縁部のそれぞれから上方に延びている。蓋部材は、燃料電池セルの下端部が挿入される挿入孔を有する。蓋部材は、マニホールド本体の上面を塞ぐ。一対の脚部は、各第１側壁の外方に配置され、載置面と当接するように構成される。

この構成によれば、一対の脚部が、マニホールド本体の第１側壁の外方に配置されており、載置面上に当接する。このため、マニホールドが燃料電池セルを支持して重心が高くなった場合であっても、この燃料電池スタックの倒れを防止することができる。

各脚部は、例えば蓋部材から下方に延びている。この場合、各脚部と蓋部材とは、1つの部材によって構成されることが好ましい。

また、各脚部は、第１側壁から下方に延びていてもよい。この場合、各壁部と各第１側壁とは、１つの部材によって構成されることが好ましい。

また、各第１側壁は、底壁から上方に延びる側壁本体部と、側壁本体部の上端部から外方に延びるフランジ部と、を有していることが好ましい。そして、脚部は、フランジ部から下方に延びていることが好ましい。

本発明の第２側面に係る燃料電池スタックは、上記いずれかに記載のマニホールドと、燃料電池セルと、を備える。各燃料電池セルは、下端部が挿入孔に挿入され、蓋部材から上方に延びる。

本発明によれば、燃料電池スタックの倒れを防止することができる。

燃料電池スタックの斜視図。燃料電池セルの斜視図。燃料電池セルの拡大断面図。燃料電池スタックの断面図。蓋部材の平面図。変形例１に係る燃料電池スタックの断面図。変形例１に係る別の燃料電池スタックの断面図。変形例２に係る燃料電池スタックの斜視図。変形例２に係る燃料電池スタックの断面図。変形例３に係る燃料電池スタックの断面図。変形例３に係る別の燃料電池スタックの断面図。変形例４に係る別の燃料電池スタックの断面図。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池セル１０と、マニホールド２０と、を備えている。各燃料電池セル１０は、マニホールド２０によって支持されている。マニホールド２０は、各燃料電池セル１０にガスを分配する。

［燃料電池セル］
各燃料電池セル１０は、マニホールド２０から上方に延びている。燃料電池セル１０の長手方向（ｘ軸方向）は、上下方向に延びている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２０の長手方向（ｚ軸方向）に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。各燃料電池セル１０は、集電部材（図示省略）を介して互いに電気的に接続されている。集電部材は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、集電部材は、酸化物セラミックスの焼成体又は金属などによって形成されている。

図２に示すように、燃料電池セル１０は、複数の発電素子部１１と、支持基板１２とを備えている。各発電素子部１１は、支持基板１２の両面に支持されている。なお、各発電素子部１１は、支持基板１２の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１１は、燃料電池セル１０の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル１０は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。各発電素子部１１は、電気的接続部１７（図３参照）によって互いに電気的に接続されている。

支持基板１２は、燃料電池セル１０の長手方向に延びる複数のガス流路１２１を内部に有している。なお、支持基板１２の長手方向（ｘ軸方向）は、燃料電池セル１０の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１２１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１２１は、燃料電池セル１０の長手方向の両端部において開口している。各ガス流路１２１は、燃料電池セル１０の幅方向（ｙ軸方向）の両端部１２２に形成されていない。このガス流路１２１が形成されていない燃料電池セル１０の幅方向の両端部１２２は、後述する第１側壁３２の第１フランジ部３２２上に載置されている。

図３に示すように、支持基板１２は、複数の第１凹部１２３を有している。各第１凹部１２３は、支持基板１２の両面に形成されている。各第１凹部１２３は支持基板１２の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。

支持基板１２は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板１２は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板１２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１２の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

各発電素子部１１は、燃料極１３、電解質１４、及び空気極１５を有している。また、各発電素子部１１は、反応防止膜１６をさらに有している。燃料極１３は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極１３は、燃料極集電部１３１と燃料極活性部１３２とを有する。

燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に配置されている。詳細には、燃料極集電部１３１は、第１凹部１２３内に充填されており、第１凹部１２３と同様の外形を有する。各燃料極集電部１３１は、第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有している。燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に配置されている。詳細には、燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に充填されている。

燃料極集電部１３１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部１３１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部１３１の厚さ、並びに第１凹部１２３の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部１３２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部１３２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質１４は、燃料極１３上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４は、あるインターコネクタ１７１から他のインターコネクタ１７１まで燃料電池セル１０の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１０の長手方向において、電解質１４とインターコネクタ１７１とが交互に配置されている。

電解質１４は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。電解質１４は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質１４は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１６は、緻密な材料からなる焼成体であり、平面視（ｚ軸方向視）において、燃料極活性部１３２と略同一の形状であり、燃料極活性部１３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜１６は、電解質１４内のＹＳＺと空気極１５内のＳｒとが反応して電解質１４と空気極１５との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１６は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１６の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極１５は、反応防止膜１６上に配置されている。空気極１５は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極１５は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極１５は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極１５は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極１５の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１７は、隣り合う発電素子部１１を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部１７は、インターコネクタ１７１及び空気極集電膜１７２を有する。インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。詳細には、インターコネクタ１７１は、第３凹部１３１ｂ内に埋設（充填）されている。インターコネクタ１７１は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ１７１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ１７１は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ１７１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜１７２は、隣り合う発電素子部１１のインターコネクタ１７１と空気極１５との間を延びるように配置される。例えば、図３の左側に配置された発電素子部１１の空気極１５と、図３の右側に配置された発電素子部１１のインターコネクタ１７１とを電気的に接続するように、空気極集電膜１７２が配置されている。空気極集電膜１７２は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。

空気極集電膜１７２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電膜１７２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電膜１７２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜１７２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［マニホールド］
図１及び図４に示すように、マニホールド２０は、各燃料電池セル１０にガスを分配するように構成されている。マニホールド２０は、中空状であり、内部空間を有している。マニホールド２０の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスなどのガスが供給される。マニホールド２０は、各燃料電池セル１０を支持している。マニホールド２０は、マニホールド本体３と、蓋部材４と、脚部５とを備えている。

マニホールド本体３は、直方体状であって、上面が開口した内部空間を有する。詳細には、マニホールド本体３は、底壁３１と、一対の第１側壁３２と、一対の第２側壁３３とを有している。なお、マニホールド本体３は、１つの部材によって構成されている。すなわち、底壁３１と、一対の第１側壁３２と、一対の第２側壁３３とは、１つの部材によって構成されている。マニホールド本体３は、例えば、耐熱性を有するような金属によって形成される。より具体的には、マニホールド本体３は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

底壁３１は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。底壁３１は、平面視において、長手方向（ｚ軸方向）と短手方向（ｙ軸方向）を有している。マニホールド２０を載置面３００上に載置したとき、底壁３１は、載置面３００上に載置される。すなわち、底壁３１は、載置面３００と当接する。

一対の第１側壁３２は、底壁３１の対向する一対の縁部のそれぞれから上方に延びている。詳細には、各第１側壁３２は、底壁３１の縁部のうち、長手方向（ｚ軸方向）に延びる一対の縁部から上方に延びている。第１側壁３２は、マニホールド２０の長手方向（ｚ軸方向）に延びている。すなわち、複数の燃料電池セル１０の並ぶ方向に延びている。一対の第１側壁３２は、互いに対向している。

第１側壁３２は、第１側壁本体部３２１と、第１フランジ部３２２と、を有している。第１側壁本体部３２１は、底壁３１から上方に延びる部分である。第１フランジ部３２２は、第１側壁本体部３２１の上端部から外方に延びる部分である。なお、第１側壁本体部３２１と第１フランジ部３２２とは一体的に延びている。

一対の第２側壁３３は、底壁３１の残りの対向する縁部から上方に延びている。また、各第２側壁３３は、マニホールド２０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。すなわち、各第２側壁３３は、燃料電池セル１０の幅方向に延びている。各第２側壁３３は、互いに対向している。第２側壁３３は、第１側壁３２と同様に、第２側壁本体部と、第２フランジ部とを有している。第２側壁本体部は、第１側壁本体部３２１と連続しており、第２フランジ部は、第１フランジ部３２２と連続している。

蓋部材４は、マニホールド本体３の上面を塞ぐように構成されている。蓋部材４の外周縁部は、第１フランジ部３２２及び第２フランジ部上に配置されており、第１フランジ部３２２及び第２フランジ部に接合されている。蓋部材４は、例えば、溶接によって、第１フランジ部３２２及び第２フランジ部に接合されている。

図５に示すように、蓋部材４は、複数の挿入孔４１を有している。各挿入孔４１には、各燃料電池セル１０の下端部が挿入される。各挿入孔４１は、マニホールド２０の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、各挿入孔４１は、マニホールド２０の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。

蓋部材４の短手方向（ｙ軸方向）の長さは、マニホールド本体３の短手方向（ｙ軸方向）の長さよりも長い。このため、蓋部材４の短手方向における両端部は、第１フランジ部３２２を超えて延びている。

図１及び図４に示すように、一対の脚部５は、燃料電池スタック１００の倒れを防止するように構成されている。各脚部５は、各第１側壁３２の外方に配置されている。各脚部５は、載置面３００と当接するように構成されている。一対の脚部５は、蓋部材４から下方に延びている。詳細には、各脚部５は、蓋部材４の短手方向の両端部から下方に延びている。なお、各脚部５は、載置面３００まで延び、載置面３００と当接している。

各脚部５は、蓋部材４の長手方向に延びる縁部から下方に延びている各脚部５は、マニホールド２０の長手方向に延びている。この各脚部５の長手方向（ｚ軸方向）の長さは、特に限定されないが、例えば、１００〜８００ｍｍ程度である。また、載置面３００上における各脚部５と各第１側壁３２との間隔ｄは、特に限定されないが、例えば、５〜５０ｍｍ程度である。各脚部５と蓋部材４とは、１つの板状の部材によって構成される。この場合、各脚部５は、蓋部材４の短手方向の端部を下方に折り曲げることによって形成される。なお、蓋部材４及び各脚部５は、例えば、耐熱性を有するような金属によって形成される。より具体的には、蓋部材４及び各脚部５は、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、及びＮｉ基合金よりなる群から選ばれる少なくとも１種から形成されている。

以上のように構成されたマニホールド２０に、各燃料電池セル１０が支持されている。詳細には、各燃料電池セル１０の下端部が、蓋部材４の各挿入孔４１に挿入されている。なお、各燃料電池セル１０の幅方向の両端部１２２は、第１フランジ部３２２上に載っていてもよい。そして、燃料電池セル１０が挿入された状態の挿入孔４１内には、接合材１０１が充填されている。

接合材１０１は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、接合材１０１の材料として、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、接合材１０１は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

以上のように構成された燃料電池スタック１００は、次のようにして発電する。マニホールド２０を介して各燃料電池セル１０のガス流路１２１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１２の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、電解質１４の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。この燃料電池スタック１００を外部の負荷に接続すると、空気極１５において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ_２ ⁻ …（１）
Ｈ_２＋Ｏ_２ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、各脚部５は、蓋部材から下方に垂直に延びる板状部材であるが、各脚部５の構造は特にこれに限定されない。例えば、図６に示すように、各脚部５の下端部は載置面３００に沿って外方に延びる当接部５１を有していてもよい。これによって、より安定的に、燃料電池スタック１００を支持することができる。

また、図７に示すように各脚部５は、下方に向かって外方に広がっていてもよい。すなわち、各脚部５は、下方に向かって第１側壁３２から離れるように傾斜していてもよい。これによって、より安定的に、燃料電池スタック１００を支持することができる。

変形例２
上記実施形態では、各脚部５は、蓋部材４から下方に延びていたが、特にこれに限定されない。例えば、図８及び図９に示すように、各脚部５は、第１側壁３２から下方に延びていてもよい。詳細には、各脚部５は、第１側壁３２の第１フランジ部３２２から下方に延びている。各脚部５と各第１側壁３２とは、１つの部材によって構成することができる。例えば、各第１側壁３２の第１フランジ部３２２の先端部を下方に折り曲げることによって、各脚部５を形成することができる。

変形例３
上記変形例１において、各脚部５は、第１フランジ部３２２から下方に垂直に延びているが、各脚部５の構造は特にこれに限定されない。例えば、図１０に示すように、各脚部５の下端部は外方に延びる当接部５１を有していてもよい。これによって、より安定的に、燃料電池スタックを支持することができる。

また、図１１に示すように各脚部５は、下方に向かって外方に広がっていてもよい。すなわち、各脚部５は、下方に向かって第１側壁３２から離れるように傾斜していてもよい。これによって、より安定的に、燃料電池スタック１００を支持することができる。

変形例４
上記実施形態では、燃料電池セル１０は、第１フランジ部３２２上に載っているが、図１２に示すように、燃料電池セル１０は、第１フランジ部３２２上に載っていなくてもよい。

３：マニホールド本体
３１：底壁
３２：第１側壁
４：蓋部材
４１：挿入孔
５：脚部
１０：燃料電池セル
２０：マニホールド
１００：燃料電池スタック
３００：載置面

Claims

燃料電池セルにガスを分配するためのマニホールドであって、
載置面上に載置される底壁、及び底壁の長手方向に延びる一対の縁部のそれぞれから上方に延びる一対の第１側壁、を有するマニホールド本体と、
前記燃料電池セルの下端部が挿入される挿入孔を有し、前記マニホールド本体の上面を塞ぐ蓋部材と、
前記各第１側壁の外方に配置され、前記載置面と当接するように構成される一対の脚部と、
を備える、マニホールド。
前記各脚部は、前記蓋部材から下方に延びている、
請求項１に記載のマニホールド。
前記各脚部と前記蓋部材とは、1つの部材によって構成される
請求項２に記載のマニホールド。
前記各脚部は、前記第１側壁から下方に延びている、
請求項１に記載のマニホールド。
前記各脚部と前記各第１側壁とは、１つの部材によって構成される、
請求項４に記載のマニホールド。
前記各第１側壁は、前記底壁から上方に延びる側壁本体部と、前記側壁本体部の上端部から外方に延びるフランジ部と、を有し、
前記脚部は、前記フランジ部から下方に延びる、
請求項４又は５に記載のマニホールド。
前記各脚部は、前記載置面に沿って外方に延びる当接部を有する、
請求項１から６のいずれかに記載のマニホールド。
前記各脚部は、下方に向かって外方に広がる、
請求項１から７のいずれかに記載のマニホールド。
請求項１から８のいずれかに記載のマニホールドと、
下端部が前記挿入孔に挿入され、前記蓋部材から上方に延びる燃料電池セルと、
を備える、燃料電池スタック。