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JP6772861B2 - 燃料電池セルスタック - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関する。
従来、例えば、特許文献1に記載されるように、一対のインターコネクタと、一対のインターコネクタ間に位置する燃料電池単セルと、燃料電池単セルのアノードとインターコネクタとの間およびカソードとインターコネクタとの間にある各ガス流路に配置された集電体とを有する燃料電池セルスタックが知られている。
特開2013−55042号公報
従来技術には、次の課題がある。集電体は、複数の燃料電池単セルの集合体である燃料電池セルスタックを形成する際に生じる電池構成部材の公差や熱膨張差等を吸収する役割を兼ねていることが多い。しかしながら、集電体によって燃料電池単セルを挟んだ構造としただけでは、集電体の剛性差や強度ばらつき、電池構成部材の公差等によって燃料電池単セルの固定位置が一定とならず、燃料電池セルスタック内の各ガス流路の寸法がばらつく。その結果、各燃料電池単セルへの燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流量配分がばらつき、電池性能や電池信頼性に悪影響が生じる。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、各ガス流路の寸法ばらつきを抑制可能な燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、燃料電池単セル(2)と、
上記燃料電池単セルの一方面側および他方面側にそれぞれ設けられたガス流路(3C、3A)と、
一方の上記ガス流路内に配置され、上記燃料電池単セルの一方のセル面を押圧する押圧体(4)と、
他方の上記ガス流路内に配置され、上記押圧体により押圧された上記燃料電池単セルの他方のセル面を支持するセル支持体(5)と、をしており、
一方の上記ガス流路が上記燃料電池単セルのカソードへ酸化剤ガスを供給するための流路であり、他方の上記ガス流路が上記燃料電池単セルのアノードへ燃料ガスを供給するための流路であり、
上記燃料電池単セルの剛性<上記押圧体の剛性<上記セル支持体の剛性の関係を満たす、
燃料電池セルスタック(1)にある。
上記燃料電池セルスタックは、上記構成を有する。そのため、上記燃料電池セルスタックでは、押圧体による押圧力によりセル支持体に押し付けられた状態で燃料電池単セルが固定される。つまり、上記燃料電池セルスタックでは、燃料電池単セルを押し付ける方向が、燃料電池単セルの一方面側から他方面側に向かう方向とされている。それ故、上記燃料電池セルスタックによれば、燃料電池単セルの一方面側および他方面側にそれぞれ設けられたガス流路の間で、燃料電池単セルの固定位置が一定に定まり、各ガス流路の寸法ばらつきを抑制することが可能となる。したがって、上記燃料電池セルスタックによれば、各燃料電池単セルへの燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流量配分を安定化させやすくなり、電池性能、電池信頼性の向上に有利となる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態1の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。 図1におけるII−II線断面図である。 実施形態2の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。 図3におけるIV−IV線断面図である。 実施形態3の燃料電池セルスタックのセル積層方向に沿った模式的な断面図である。 図5におけるVI−VI線断面図である。 実施形態5の燃料電池セルスタックを上方から見た模式的な説明図である。 実施形態6の燃料電池セルスタックを上方から見た模式的な説明図である。
(実施形態1)
実施形態1の燃料電池について、図1、図2を用いて説明する。図1、図2に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1は、燃料電池単セル2と、燃料電池単セル2の一方面側および他方面側にそれぞれ設けられたガス流路3C、3Aと、一方のガス流路3C内に配置され、燃料電池単セル2の一方のセル面を押圧する押圧体4と、他方のガス流路3A内に配置され、押圧体4により押圧された燃料電池単セル2の他方のセル面を支持するセル支持体5と、を有している。以下、詳説する。
燃料電池単セル2は、固体電解質層を有する固体電解質型の燃料電池である。固体電解質層を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。
図1では、燃料電池単セル2が、平板形の電池構造を有している例が示されている。なお、図1において、燃料電池単セル2の両端部が曲がって図示されているのは、押圧体4が配置されたガス流路3C側からセル支持体5が配置されたガス流路3A側に向かって、燃料電池単セル2に対して意図的に押圧力4Fが負荷されていることを模式的に示したことによる。
燃料電池単セル2は、具体的には、アノードと固体電解質層とカソードとを備えている。燃料電池単セル2は、他にも、例えば、固体電解質層とカソードとの間に中間層を備えることもできる。なお、図1では、燃料電池単セル2の詳細な構成は省略されている。また、本実施形態では、図1における燃料電池単セル2の下面側にアノードが配置されており、燃料電池単セル2の上面側にカソードが配置されている。また、燃料電池単セル2の各部の材料や構成等については、公知のものを適用することができる。また、燃料電池単セル2の外周縁は、金属製のフレーム7により支持することができる。これらの点については、後述する実施形態2〜4についても同様である。
本実施形態において、燃料電池セルスタック1は、具体的には、複数の燃料電池単セル2と複数のインターコネクタ6とを備えており、燃料電池単セル1とインターコネクタ6とが交互に配置された集合構造を有している。なお、インターコネクタ6は、燃料電池単セル2同士を電気的に接続するものである。本実施形態では、インターコネクタ6は、隣り合う燃料電池単セル2における一方のガス流路3C内を流れるガスと他方のガス流路3A内を流れるガスとを隔てる役割も有している。
燃料電池単セル2のアノードとインターコネクタ6との間にあるガス流路3Aは、アノードへ燃料ガスを供給するための流路とされる。一方、燃料電池単セル2のカソードとインターコネクタ6との間にあるガス流路3Cは、カソードへ酸化剤ガスを供給するための流路とされる。燃料ガスとしては、例えば、メタンガスを改質した燃料ガスなどを用いることができる。また、酸化剤ガスとしては、具体的には、例えば、空気などを用いることができる。本実施形態では、インターコネクタ6の材質は、例えば、ステンレス鋼、耐熱クロム合金等の金属(以下、金属には合金含む)より構成することができる。
本実施形態において、押圧体4は、燃料電池単セル2の一方のセル面を弾性力で押圧する弾性体とすることができる。この構成によれば、弾性体の弾性力によってセル支持体5に押し付けられた状態で、燃料電池単セル2を固定することができる。
本実施形態では、図1に示されるように、押圧体4が、カソード側のガス流路3C内に配置されている例が示されている。したがって、押圧体4は、カソード側のセル面を押圧している。また、図1に示されるように、セル支持体5は、アノード側のガス流路3A内に配置されている。したがって、セル支持体5は、アノード側のセル面を支持している。
押圧体4は、導電性を有していてもよいし、導電性を有していなくてもよい。前者の構成によれば、押圧体4を集電体として機能させることができるので、押圧体4が配置されているガス流路3C内に、別途、集電体を設ける必要性がなくなり、電池構造の簡略化に有利である。図1では、押圧体4が集電体より構成されている例が示されている。また、押圧体4は、押圧体4が配置されたガス流路3Cに面する燃料電池単セル2の発電に寄与するセル面に接している。また、押圧体4は、インターコネクタ6にも接している。なお、押圧体6が導電性を有していない場合には、押圧体6が配置されるガス流路に、別途、集電体を配置することができる。
押圧体6は、例えば、ステンレス鋼、耐熱クロム合金等の金属より構成することができる。また、押圧体6は、例えば、メッシュ部材、バネ部材などより構成することができる。押圧体6が金属製のメッシュ部材より構成されている場合には、押圧力、集電性、および、ガス拡散性のバランスに優れるなどの利点がある。
本実施形態において、セル支持体5は、押圧体4の押圧による燃料電池単セル2の変形量が最大となる最大変形部位を少なくとも支持する構成とすることができる。この構成によれば、燃料電池単セル2の固定位置を安定化させやすくなり、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきを抑制しやすい燃料電池セルスタック1が得られる。
本実施形態では、燃料電池単セル2のセル面内中央部が最大変形部位とされている。そのため、本実施形態では、図2に示されるように、セル面内中央部を支持するようにセル支持体5が配置されている。図2では、セル支持体5が、円柱状に形成された例が示されている。なお、セル支持体5の形状は、他にも、角柱状、円筒状、角筒状などとすることもでき、特に限定されない。また、セル支持体5は、最大変形部位以外の部分にも配置することができる。
セル支持体5は、押圧力4Fで形状変形し難い材料で構成することが好ましい。本実施形態では、セル支持体5は、具体的には、金属材料より構成することができる。この構成によれば、セル支持体5が電気を通すことができるので、セル支持体5を集電体として機能させることが可能になる。そのため、この構成によれば、集電性の向上に有利な燃料電池セルスタック1が得られる。なお、本実施形態では、セル支持体5が配置されたガス流路3Aにおけるセル支持体5の外周囲に集電体8が配置されている。集電体8は、セル支持体5が配置されたガス流路3Aに面する燃料電池単セル2の発電に寄与するセル面に接している。また、集電体8は、インターコネクタ6にも接している。
本実施形態では、セル支持体5は、インターコネクタ6と別部材で構成することができる。この構成によれば、インターコネクタ6とセル支持体5とを別々に準備することができるので、セル支持体5の剛性を種々選択しやすくなる。そのため、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきの抑制を図りやすい燃料電池セルスタック1が得られる。また、この構成によれば、セル支持体5の形状選択の自由度も増加するため、製造性のよい燃料電池セルスタック1が得られる。
なお、セル支持体5は、インターコネクタ6に接合されていてもよいし、インターコネクタ6に接合されていなくてもよい。本実施形態では、インターコネクタ6と別部材で構成されたセル支持体5が、インターコネクタ6に接合されて一体化されている。セル支持体5がインターコネクタ6と接合されている場合には、燃料電池セルスタック1の組み立て時に、インターコネクタ5からセル支持体5が脱落し難く、セル支持体5が所定の狙い位置に配置され続ける。そのため、この場合には、製造性がよく、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきの抑制効果を確実なものとすることが可能な燃料電池セルスタック1が得られる。
本実施形態において、燃料電池セルスタック1は、燃料電池単セル2の剛性<押圧体4の剛性<セル支持体5の剛性の関係を満たす構成とされている。この構成によれば、燃料電池単セル2の押し付け方向を、燃料電池単セルの一方面側から他方面側に向かう方向としやすくなる。そのため、この構成によれば、燃料電池単セル2のセル支持体5への押し付けを確実なものとすることができる。それ故、この構成によれば、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきの抑制効果を確実なものとしやすい燃料電池セルスタック1が得られる。
なお、燃料電池単セル2の剛性、押圧体4の剛性、セル支持体5の剛性は、各部材に対して使用する温度範囲、例えば、常温から900℃で圧縮荷重を負荷した時の荷重変位特性を求め、これらを比較することで把握することができる。また、各部材の剛性は、各部材の材質、形状などを変えることで変化させることができる。
燃料電池セルスタック1は、上記構成を有する。そのため、燃料電池セルスタック1では、押圧体4による押圧力によりセル支持体5に押し付けられた状態で燃料電池単セル2が固定される。つまり、燃料電池セルスタック1では、燃料電池単セル2を押し付ける方向が、燃料電池単セル2の一方面側から他方面側に向かう方向とされている。それ故、燃料電池セルスタック1によれば、燃料電池単セル2の一方面側および他方面側にそれぞれ設けられたガス流路3C、3Aの間で、燃料電池単セル2の固定位置が一定に定まり、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきを抑制することが可能となる。したがって、燃料電池セルスタック1によれば、各燃料電池単セル2への燃料ガスまたは酸化剤ガスのガス流量配分を安定化させやすくなり、電池性能、電池信頼性の向上に有利となる。
(実施形態2)
実施形態2の燃料電池セルスタックについて、図3、図4を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
図3、図4に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1は、セル支持体5の構成が実施形態1と異なっている。その他の構成は、実施形態1と同様である。
本実施形態では、セル支持体5は、互いに離間した複数の線状部50より構成されている。セル支持体5は、セル面全体を支持している。この構成によれば、セル支持体5がセル面全体を支持することで、押圧体4によってセル支持体5に押圧された燃料電池単セル2の固定位置をより安定化させやすくなり、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきをより抑制しやすい燃料電池セルスタック1が得られる。
また、セル支持体5は、インターコネクタ6の一部とされている。この構成によれば、インターコネクタ6とセル支持体5とを別々に準備する必要がない。また、この構成によれば、初めからインターコネクタ6にセル支持体5が一体化されているので、燃料電池セルスタック1の組み立て時に、インターコネクタ6からセル支持体5が脱落することがなく、セル支持体5が所定の狙い位置に配置され続ける。そのため、この構成によれば、製造性がよく、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきの抑制効果を確実なものとすることが可能な燃料電池セルスタック1が得られる。その他の作用効果は、実施形態1と同様である。
(実施形態3)
実施形態3の燃料電池セルスタックについて、図5、図6を用いて説明する。
図5、図6に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1は、セル支持体5の構成が実施形態1と異なっている。その他の構成は、実施形態1と同様である。
本実施形態において、セル支持体5は、ガス流路3Aと連通された複数の貫通孔51を有する平面体より構成されている。ガス流路3Aを流れるガス(本実施形態では、燃料ガス)は、貫通孔51を通じて燃料電池単セル2へ供給される。セル支持体5は、セル面全体を支持している。この構成によれば、セル支持体5がセル面全体を支持することで、押圧体4によってセル支持体5に押圧された燃料電池単セル2の固定位置をより安定化させやすくなり、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきをより抑制しやすい燃料電池セルスタック1が得られる。その他の作用効果は、実施形態1と同様である。
(実施形態4)
実施形態4の燃料電池セルスタックについて説明する。
本実施形態の燃料電池セルスタック1は、セル支持体5の材料が実施形態1と異なっている。その他の構成は、実施形態1と同様である。
セル支持体5は、セラミック材料より構成されている。この構成によれば、セル支持体5が、ガス流路3A内の高温ガスに曝されても劣化し難い。そのため、この構成によれば、長期にわたって、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきの抑制効果を発揮させやすい燃料電池セルスタック1が得られる。その他の作用効果は、実施形態1と同様である。
(実施形態5)
実施形態5の燃料電池セルスタックについて、図7を用いて説明する。
図7に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1は、燃料電池単セル2の電池構造が円筒形である例である。なお、図7では、燃料電池単セル2の詳細な構成は省略されている。本実施形態では、図7における燃料電池単セル2の内周面側にアノードが配置されており、燃料電池単セル2の外周面側にカソードが配置されている。したがって、燃料電池単セル2の筒内が、燃料ガスが流れるガス流路3Aとされる。また、燃料電池単セル2の筒外が、酸化剤ガスが流れるガス流路3Cとされる。図7では、複数の燃料電池単セル5が、互いに離間した状態で一方向に配置された例が示されている。
燃料電池セルスタック1において、ガス流路3C内には、押圧体4が配置されている。押圧体4は、具体的には、隣接する燃料電池単セル2の間に一つずつ配置されている。押圧体4は、それ一つで、隣り合う燃料電池単セル2のセル外周面を同時に押圧している。押圧体4は、より具体的には、ステンレス鋼等の金属よりなるメッシュ部材より構成されている。
また、燃料電池セルスタック1において、ガス流路3A内には、セル支持体5が配置されている。セル支持体5は、具体的には、押圧体4により押圧された燃料電池単セル2のセル内周面を支持している。燃料電池セルスタック1では、燃料電池単セル2を押し付ける押圧力4Fの方向が、燃料電池単セル2の一方面側(ここでは外周面側)から他方面側(ここでは内周面側)に向かう方向とされている。セル支持体5は、より具体的には、例えば、ステンレス鋼、ニッケルなどの金属により構成された板状部材よりなる。なお、本実施形態では、押圧体4は、導電性を有しており、インターコネクタの役割を果たしている。その他の構成は、基本的には、実施形態1と同様である。
本実施形態の燃料電池セルスタック1によっても、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきを抑制することができる。
(実施形態6)
実施形態6の燃料電池セルスタックについて、図8を用いて説明する。
図8に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1では、複数の燃料電池単セル2が、互いに離間した状態で行方向および列方向に配置された例が示されている。燃料電池セルスタック1において、セル支持体5は、より具体的には、セル筒中心部からセル筒径方向外方に突出する複数の板状部52を有している。図8では、セル支持体5が、セル筒軸回りに0°、90°、180°、270°の4箇所の方向に板状部52を有する例が示されている。その他の構成は、実施形態5と同様である。
本実施形態の燃料電池セルスタックによっても、各ガス流路3C、3Aの寸法ばらつきを抑制することができる。
(実験例)
150mm角、厚み1mmのステンレス板より構成されたインターコネクタに、図1に示されるように、インターコネクタと同じ材料による円柱状のセル支持部を溶接した。また、図1に示されるように、このインターコネクタにおけるセル支持部側とは反対側の面に、ステンレス製のメッシュ部材より構成された押圧体を集電体として組み付けるとともに、上記インターコネクタにおけるセル支持部側の面に、ニッケル製のメッシュ部材より構成された集電体を組み付けた。これにより、インターコネクタサブアッシーを作製した。
次いで、金属フレームにより燃料電池単セルの外周縁を支持したセルサブアッシーを作製した。なお、燃料電池単セルには、固体酸化物形燃料電池単セルを用いた。
上述したインターコネクタサブアッシー、セルサブアッシーの作製では、常温から900℃の温度範囲で、燃料電池単セルの剛性<押圧体の剛性<セル支持体の剛性の関係を満たすように各部材の材質、形状を選択した。
次いで、インターコネクタサブアッシーとセルサブアッシーとを交互に積層することにより、試料1の燃料電池セルスタックを作製した。また、セル支持体を設けなかった以外は同様にして、試料1Cの燃料電池セルスタックを作製した。
次いで、作製した各燃料電池セルスタックの発電を実施した後、スタック内に硬化性樹脂を注入し、硬化性樹脂を硬化させた。
次いで、各燃料電池セルスタックを断面カットし、アノード側のセル積層方向のガス流路寸法を測定し、流路寸法バラツキを求めた。なお、インターコネクタ間の間隔は一定に設定されているため、アノード側のガス流路の流路寸法バラツキが小さければ、カソード側のガス流路の流路寸法バラツキも小さいことになる。
上記の結果、試料1Cの燃料電池セルスタックは、流路寸法バラツキσ=0.12であった。これに対し、試料1の燃料電池セルスタックは、流路寸法バラツキσ=0.01であった。このことから、上述した構成を採用することで、各ガス流路の寸法ばらつきを抑制可能な燃料電池セルスタックが得られることが確認された。
本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。
えば、実施形態1において、セル支持体5を、インターコネクタ6の一部として構成することができる。また、例えば、実施形態2において、セル支持体5を、インターコネクタ6と別部材で構成することができる。実施形態1、3、および4において、インターコネクタ6にセル支持体5が接合されていない構成とすることができる。
以下、参考形態の例を付記する。
項1.
燃料電池単セル(2)と、
上記燃料電池単セルの一方面側および他方面側にそれぞれ設けられたガス流路(3C、3A)と、
一方の上記ガス流路(3C)内に配置され、上記燃料電池単セルの一方のセル面を押圧する押圧体(4)と、
他方の上記ガス流路(3A)内に配置され、上記押圧体により押圧された上記燃料電池単セルの他方のセル面を支持するセル支持体(5)と、
を有する燃料電池セルスタック(1)。
項2.
上記燃料電池単セルの剛性<上記押圧体の剛性<上記セル支持体の剛性の関係を満たす、項1に記載の燃料電池セルスタック。
項3.
上記セル支持体は、上記押圧体の押圧による上記燃料電池単セルの変形量が最大となる最大変形部位を少なくとも支持している、項1または項2に記載の燃料電池セルスタック。
項4.
上記押圧体は、上記燃料電池単セルの一方のセル面を弾性力で押圧する弾性体である、項1〜項3のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。
項5.
上記セル支持体は、金属材料より構成されている、項1〜項4のいずれか1項に記載
の燃料電池セルスタック。
項6.
上記燃料電池単セルとインターコネクタ(6)とが交互に配置された集合構造を有しており、
上記セル支持体は、上記インターコネクタと別部材で構成されている、項5に記載の燃料電池セルスタック。
項7.
上記燃料電池単セルとインターコネクタ(6)とが交互に配置された集合構造を有しており、
上記セル支持体は、上記インターコネクタの一部である、項5に記載の燃料電池セルスタック。
項8.
上記セル支持体は、セラミック材料より構成されている、項1〜項4のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。
項9.
上記押圧体は、導電性を有する、項1〜項8のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。
なお、参考形態では、実施形態1〜6に示されるように、カソード側のガス流路3C内に押圧体4が配置され、アノード側のガス流路3Aにセル支持体5が配置された構成とされることができ、また、実施形態1〜6を、カソード側のガス流路3Cにセル支持体5が配置され、アノード側のガス流路3Aに押圧体4が配置された構成にそれぞれ変形することも可能である。
1 燃料電池セルスタック
2 燃料電池単セル
3C、3A ガス流路
4 押圧体
5 セル支持体

Claims (8)

  1. 燃料電池単セル(2)と、
    上記燃料電池単セルの一方面側および他方面側にそれぞれ設けられたガス流路(3C、3A)と、
    一方の上記ガス流路内に配置され、上記燃料電池単セルの一方のセル面を押圧する押圧体(4)と、
    他方の上記ガス流路内に配置され、上記押圧体により押圧された上記燃料電池単セルの他方のセル面を支持するセル支持体(5)と、をしており、
    一方の上記ガス流路が上記燃料電池単セルのカソードへ酸化剤ガスを供給するための流路であり、他方の上記ガス流路が上記燃料電池単セルのアノードへ燃料ガスを供給するための流路であり、
    上記燃料電池単セルの剛性<上記押圧体の剛性<上記セル支持体の剛性の関係を満たす、
    燃料電池セルスタック(1)。
  2. 上記セル支持体は、上記押圧体の押圧による上記燃料電池単セルの変形量が最大となる最大変形部位を少なくとも支持している、請求項1に記載の燃料電池セルスタック。
  3. 上記押圧体は、上記燃料電池単セルの一方のセル面を弾性力で押圧する弾性体である、請求項1または2に記載の燃料電池セルスタック。
  4. 上記セル支持体は、金属材料より構成されている、請求項1〜のいずれか1項に記載
    の燃料電池セルスタック。
  5. 上記燃料電池単セルとインターコネクタ(6)とが交互に配置された集合構造を有しており、
    上記セル支持体は、上記インターコネクタと別部材で構成されている、請求項に記載の燃料電池セルスタック。
  6. 上記燃料電池単セルとインターコネクタ(6)とが交互に配置された集合構造を有しており、
    上記セル支持体は、上記インターコネクタの一部である、請求項に記載の燃料電池セルスタック。
  7. 上記セル支持体は、セラミック材料より構成されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。
  8. 上記押圧体は、導電性を有する、請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。
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