JP6339495B2 - インターコネクタ−燃料電池単セル複合体及び燃料電池スタック - Google Patents
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Description
この対策として、例えばマニホールドの周囲に、ガラスシール材とコンプレッションシール材とを環状に配置することが考えられるが、本願発明者等の研究によれば、必ずしもシール性が十分では無いという問題があった。
本第2態様では、セパレータとフレームとの接合位置(即ち溶融部の位置)は、第1の開口端から等しい距離にあるので、第1の開口端近傍においてセパレータに加わる力が略均等になる。これによって、セパレータの変形を効果的に抑制できる。
本第3態様では、溶融部の表面の少なくとも一部は、線状に形成されているので、セパレータを広い範囲にわたってフレームに固定できる。これによって、セパレータの変形をより効果的に抑制できる。
本第5態様では、ガラスシール部と第1の開口端との間に、溶融部が設けられている。これによって、セパレータの変形を効果的に抑制できる。
本第6態様では、溶融部とガラスシール部とが接しているので、ガラスシール部の材料を溶融させてガラスシール部を形成する際に、溶融部の表面がダムの働きをして、ガラスシール部の溶融した材料が周囲に流れ出すことを抑制できる。よって、好適にガラスシール部を形成できる。
本第8態様では、連通路により、フレームのガス流路とフレームで区画される空間(例えば燃料流路や空気流路)とを、ガスの流通が可能なように連通することができる。
本第9態様では、レーザ溶接によって、容易に溶接が可能となる。
前記コンプレッションシール材とは、積層方向における押圧によって自身が変形して積層方向の周囲の構成に密着してガスシールを行う部材である。このコンプレッションシール材としては、例えばマイカ又はバーミキュライトからなるシート状等の部材を用いることができる。
前記ガラスシール部を構成する材料としては、通常のガラス(例えば非結晶化ガラス)を用いることができるが、それ以外に、結晶化ガラス、部分結晶化ガラス(半結晶化ガラス)を用いることができる。また、ガラス成分以外に、セラミックなど各種の材料を添加してもよい。
のガラス材料を配置する方法や、ガラスペーストによる印刷、ガラス材料のディスペンサーによる塗布などの方法を採用できる。
図1に示すように、本実施例1の燃料電池スタック1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気、詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置である。
図2及び図3に模式的に示すように、発電単位7は、積層方向(図2の上下方向)の両側に配置された一対のインターコネクタ17a、17b(17と総称する)の間に、燃料電池単セル19等の発電に必要な構成を配置したものである。
に形成された平板形状の空気極(カソード)33と、他方の側(図2の下方)に形成された平板形状の燃料極(アノード)35とが一体に積層されたものである。
<インターコネクタ17>
インターコネクタ17は、導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)からなる。このインターコネクタ17は、単セル19間の導通を確保し、且つ、単セル19間(従って発電単位7間)でのガスの混合を防止するものである。
図3及び図4(a)に示すように、空気極絶縁フレーム21は、電気絶縁性を有し、厚み方向から見た平面視で四角枠状の板材である。空気極絶縁フレーム21には、例えば、軟質マイカからなるマイカフレーム(即ちコンプレッションシール材)が用いられる。この空気極絶縁フレーム21には、平面視でその中央部に、空気流路37を構成する矩形状の開口部21aが形成されている。
図3及び図4(b)に示すように、セパレータ25は、平面視で四角枠状の導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)である。このセパレータ25には、平面視でその中央部に、矩形状の開口部25aが設けられている。
なお、図3に示すように、開口部25aに沿った内周縁部(下面側)に、単セル19の外周縁部(上面側)がろう付け接合されている。つまり、単セル19は、セパレータ25の開口部25aを閉塞するように接合されている。
図3及び図4(c)、(d)に示すように、燃料極フレーム27は、平面視で導電性を有する例えばSUS430等のステンレスなどからなる四角枠状の板材である。この燃料極フレーム27には、平面視でその中央部に、燃料流路41を構成する矩形状の開口部27aが形成されている。
燃料電池単セル19は、上述のように、電解質層31と空気極33と燃料極35とが一体に積層されたものである。
燃料極35を構成する材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO2系セラミック、CeO系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ni等の金
属、或いは、Niと前記セラミックとのサーメットやNi基合金を使用できる。
図5及び図6に示すように、複合体45は、平面視で矩形状の板状の部材である。
この複合体45は、上述したように、セパレータ25と、セパレータ25に接合された燃料電池単セル19と、燃料極フレーム27と、燃料流路41に収容された燃料極集電体43と、インターコネクタ17bとが重ね合わされ、レーザ溶接によって、一体に構成されたものである。
一方、図6に示すように、インターコネクタ17b及び燃料極フレーム27も、レーザ溶接によって一体に接合されている。
これにより、セパレータ25の孔部30d2、30h2から空気極絶縁フレーム21のスリット47を介して開口部21a(即ち空気流路37)に到るように、酸化剤ガスのガス流路が構成される。
図8に示すように、本実施例1では、燃料マニホールド10Bの周囲に、ガスシール部29等の燃料ガスの漏出を防止する構成が設けられている。
絶縁フレーム21では、燃料ガスは、ガラスシール部23が機能している間は、空気極絶縁フレーム21を貫く貫通孔である孔部30b2、30f2の一部(詳しくはガラスシール部23より内側)を流れる。
<燃料ガスの流路>
図9(a)に示すように、外部から燃料電池スタック1内の燃料マニホールド10Bに導入された燃料ガスは、各発電単位7の燃料極フレーム27の溝49を介して、各燃料流路41に導入される。
図9(b)に示すように、外部から燃料電池スタック1内の空気マニホールド10Aに導入された酸化剤ガスは、各発電単位7の空気極絶縁フレーム21のスリット47を介し
て、各空気流路37に導入される。
<各部材の作製方法>
まず、燃料電池単セル19を、従来の周知の手法に従って作製する。
次に、セパレータ25及び燃料極フレーム27と、燃料極フレーム27及びインターコネクタ17bとを、それぞれレーザ溶接によって接合する。
ネクタ17bとの間には、燃料極集電体を配置しておく。ここでは、インターコネクタ17b側からレーザLLを照射する。なお、インターコネクタ17bは、セパレータ25よりも厚いため、レーザ出力を300Wとしてレーザ溶接を行う。
<ガラスシール部23の形成方法>
次に、図11(a)に示すように、各複合体45の間に、空気極絶縁フレーム21とガラスシール部23となるガラスシール材料23aとを配置する。
その後、上述したように、各発電単位7を構成して積層した状態で、ボルト11及びナット13を締め付けることによって、燃料電池スタック1を積層方向(図11の上下方向)に押圧して、燃料電池スタック1を一体化する。
なお、ガラスを加熱するとガラスシール材料23aが軟化するが、ボルト11の熱膨張係数は、セパレータ25、インターコネクタ17、燃料極フレーム27等のような積層方向に配置された金属板の熱膨張係数や、ガラスシール材料23aの熱膨張係数より大きいので、ガラスの加熱時には、燃料電池スタック1は全体が緩んだ状態となる(但しボルト11の押圧力は減るが、無くなっている訳ではない)。
g)次に、本実施例1の効果について説明する。
おける燃料マニホールド10Bの第1の内周面N1の第1の開口端(即ち、セパレータ25においてコンプレッションシール材である空気極絶縁フレーム21が配置されている側の第1の開口端)K1は、空気極絶縁フレーム21における燃料マニホールド10Bの第2の内周面N2の第2の開口端(即ち、空気極絶縁フレーム21がセパレータ25に接する表面の内周)K2より内周側にある。また、第1の開口端K1と第2の開口端K2との間の位置に、セパレータ25と燃料極フレーム27とを接合する溶融部Lの表面と、ガラスシール部23とを備えている。なお、溶融部Lは、ガラスシール部23と第1の開口端K1との間に設けられている。
従って、燃料電池スタック1の運転等に伴う熱サイクルが加わった場合でも、セパレータ25と燃料極フレーム27とは強固に接合しているので、例えばセパレータ25が燃料極フレーム27から浮き上がるようなセパレータ25の変形を抑制できる。これにより、セパレータ25に接するガラスシール部23の損傷を抑制できるので、空気極絶縁フレーム21とガラスシール部23とが配置された部位、即ち、セパレータ25とインターコネクタ17との間におけるガスのリークを抑制できる。
本実施例2では、ガスシール部近傍の構成が実施例1と異なるので、異なる点を説明する。なお、実施例1と同様な部材の番号は同じ番号を使用する(以下同様)。
本実施例3では、ガスシール部近傍の構成が実施例1と異なるので、異なる点を説明する。
本実施例4では、ガスシール部近傍の構成が実施例1と異なるので、異なる点を説明する。
本実施例5では、燃料極フレームの形状及びガスシール部近傍の構成が実施例1と異なるので、異なる点を説明する。
ム27のスリット63の上方(図16(b)の上方)の位置には、溶融部Lが形成されていない。
図示しないが、本実施例5では、燃料マニホールドの周囲を囲むように、実施例1のようなガラスシール部と溶融部とを同芯状に環状に設けるのではなく、空気マニホールドの周囲を囲むように、実施例1のようなガラスシール部と溶融部とを同芯状に環状に設けるものである。
本実施例7では、燃料マニホールド及び空気マニホールドの周囲を囲むように、実施例1のようなガラスシール部と溶融部とを同芯状に環状に設けるものである。
また、図示しないが、各ガラスシール部77d、77d、77f、77hと実施例1の第1の開口端K1との間には、セパレータ25と燃料極フレーム27とをレーザ溶接することにより形成される、実施例1と同様な構成の溶融部Lが設けられている。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるもので
はなく、種々の態様を採ることができる。
10、10A、10B…マニホールド
17、17a、17b…インターコネクタ
19…燃料電池単セル
21、71…空気極絶縁フレーム
23…ガラスシール部
25…セパレータ
27、61…燃料極フレーム
29…ガスシール部
30…孔部
31…電解質層
33…空気極
35…燃料極
37…空気流路
41…燃料流路
45…インターコネクタ−燃料電池単セル複合体
49…溝(連通路)
K1…第1の開口端
K2…第2の開口端
L、L1、L2、L3、L4、L5、Lin、Lout…溶融部
N1…第1の内周面
N2…第2の内周面
Claims (10)
- 酸化剤ガスに接する空気極と、燃料ガスに接する燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された平板形状の電解質層と、を有する燃料電池単セルと、
前記燃料電池単セルの側面を囲むように配置されたフレームと、
前記フレームに積層されるとともに、前記燃料電池単セルの周縁部に接合され、前記酸化剤ガスと前記燃料ガスとを隔てるセパレータと、
前記セパレータに積層されたコンプレッションシール材と、
前記コンプレッションシール材に積層されるとともに、前記燃料電池単セルと電気的に接続されるインターコネクタと、
前記フレームと前記セパレータと前記コンプレッションシール材と前記インターコネクタとの積層方向に形成され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスが流通されるガス流路と、
を備えたインターコネクタ−燃料電池単セル複合体において、
前記積層方向から見た場合に、
前記ガス流路を形成する前記セパレータ及び前記フレームにおける第1の内周面の前記コンプレッションシール材側の第1の開口端は、前記ガス流路を形成する前記コンプレッションシール材における第2の内周面の前記セパレータ側の第2の開口端より内周側にあり、
且つ、前記第1の開口端と前記第2の開口端との間の位置に、前記セパレータと前記フレームとを接合する溶融部の表面と、ガラスを含むガラスシール部と、を備えたことを特徴とするインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。 - 前記溶融部の表面は、前記第1の開口端からの距離が等しい位置に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記溶融部の表面の少なくとも一部は、線状に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記第1の開口端と前記第2の開口端と前記溶融部の表面とを前記積層方向から見た場合に、前記溶融部の表面の少なくとも一部は、前記第1の開口端と前記第2の開口端との中点よりも、前記第1の開口端側に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記溶融部の表面は、前記ガラスシール部よりも内側に配置されるとともに、前記ガラスシール部と離間していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記溶融部の表面の少なくとも一部は、前記ガラスシール部と接していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記第1の開口端と前記ガラスシール部の内周側との間に、第1の前記溶融部の表面を備えるとともに、前記ガラスシール部の外周側と前記第2の開口端との間に、第2の前記溶融部の表面を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記フレームにおける前記ガス流路と、前記フレームで区画される空間とを連通する連通路を備えたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。
- 前記溶融部は、レーザ溶接により形成されたものであることを特徴とする請求項1〜8
のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体。 - 前記請求項1〜9のいずれか1項に記載のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体を複数備えるとともに、前記複数のインターコネクタ−燃料電池単セル複合体のガス流路によりマニホールドが形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
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