(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および空気極で電解質を挟持してなる燃料電池セルとインターコネクタとで構成された発電ユニットを積層してセルスタックを形成する燃料電池スタックにおいて、
前記セルスタックの上下端を挟む押圧板および下部固定板と、
前記押圧板の上方に設けられた上部固定板と、
前記上部固定板の中心部に螺合する締め付けボルトと、
前記下部固定板の周縁部に立設された複数の支柱ボルトと、
前記支柱ボルトに螺合され前記上部固定板の上方への移動を規制するナットと、
を備え、
前記押圧板および前記上部固定板の各周縁部に、前記支柱ボルトを遊挿する複数の遊挿孔を設け、
前記押圧板の中心部に、前記締め付けボルトの直径よりも大きく形成され当該締め付けボルトの下端が当接するボルト受け部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、
前記押圧板と前記セルスタックの上端との間および前記下部固定板と前記セルスタックの下端との間のそれぞれに絶縁板を介装したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記インターコネクタを耐熱性ステンレス鋼によって形成し、
前記支柱ボルトを前記インターコネクタよりも熱膨張係数の小さい材料によって形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１または２記載の燃料電池スタックにおいて、
前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板を耐熱性ステンレス鋼によって形成し、
前記締め付けボルトを前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板よりも熱膨張係数の大きい材料によって形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数枚重ね合わせて用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖ程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃程度であり、自動車や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせることにより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている。
【０００４】
ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、複数の固体酸化物形燃料電池セル（以下、単セルという）を直列、または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと、空気局側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルが電気的に接続された状態としている。このようにガスの混合を防いだ状態で電気的に接続するために、セパレータやインターコネクタなどと呼ばれ、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられる。
【０００５】
固体酸化物形燃料電池セルと上記インターコネクタとで構成された発電ユニットを直列に積層（スタック）してセルスタックを形成することにより、実用的な出力が得られる。６００℃以上の動作温度下では熱振動や外部からの振動などにより積層した発電ユニットにずれが生じて発電出力が低下するだけでなく、セルスタックの破損につながる。また、セルスタックの燃料極側には燃料ガスが供給され、空気極側には大量の空気が供給されている。このため、セルスタック内部は外部に比べると陽圧の状態となっており、各ガス供給通路であるマニホールド部からガスが漏洩しやすい状態である。このため、セルスタックの上下方向に荷重をかけるなどの対策が取られている。これまでにセルスタックの周辺の数カ所に固定用のねじを一定トルク下にて締め付けることでセルスタックの固定および荷重をかける方法などが提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−５３０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、一定トルク下でねじを締め付けても座面の状態やねじ穴の摩擦係数などに影響を受けるため、全てのねじを同程度に締め付けることは極めて困難である。この結果、セルスタックを数カ所のねじで締め付けると、セルスタックが発電ユニット毎に横ずれを起こし、セルスタックの破損を招く可能性が高いという問題があった。
【０００８】
本発明は上記した従来の問題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、ねじで締め付けるときに、セルスタックが発電ユニット毎に横ずれを起こしたり、セルスタックが破損したりすることのない燃料電池スタックを提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、本発明は、燃料極および空気極で電解質を挟持してなる燃料電池セルとインターコネクタとで構成された発電ユニットを積層してセルスタックを形成する燃料電池スタックにおいて、前記セルスタックの上下端を挟む押圧板および下部固定板と、前記押圧板の上方に設けられた上部固定板と、前記上部固定板の中心部に螺合する締め付けボルトと、前記下部固定板の周縁部に立設された複数の支柱ボルトと、前記支柱ボルトに螺合され前記上部固定板の上方への移動を規制するナットとを備え、前記押圧板および前記上部固定板の各周縁部に、前記支柱ボルトを遊挿する複数の遊挿孔を設け、前記押圧板の中心部に、前記締め付けボルトの直径よりも大きく形成され当該締め付けボルトの下端が当接するボルト受け部が設けられているものである。
【００１０】
本発明は、前記発明において、前記押圧板と前記セルスタックの上端との間および前記下部固定板と前記セルスタックの下端との間のそれぞれに絶縁板を介装したものである。
【００１１】
本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記インターコネクタを耐熱性ステンレス鋼によって形成し、前記支柱ボルトを前記インターコネクタよりも熱膨張係数の小さい材料によって形成したものである。
【００１２】
本発明は、前記発明のいずれか一つの発明において、前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板を耐熱性ステンレス鋼によって形成し、前記締め付けボルトを前記上部固定板および前記押圧板ならびに下部固定板よりも熱膨張係数の大きい材料によって形成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、一つの締め付けボルトによってセルスタックの中心部を加圧するようにしているため、セルスタックに鉛直方向に荷重をかけることができる。このため、セルスタックが発電ユニット毎に横ずれを起こすようなことがないから、セルスタックの破損を防止することができる。また、押圧板の中心部に、締め付けボルトの直径よりも大きな径のねじ受け部が設けられていることにより、正確に押圧板の中心部に荷重をかけることが可能になる。
【００１５】
前記発明のうちの一つの発明によれば、押圧板とセルスタックの上端との間および下部固定板とセルスタックの下端との間のそれぞれに絶縁板が介装されていることにより、セルスタックの上部と下部とで電気的な短絡を防止できる。
【００１６】
前記発明のうちの一つの発明によれば、また、下部固定板に立設され、押圧板および上部固定板のそれぞれの遊挿孔に挿通された支柱ボルトがセルスタックのインターコネクタを形成している耐熱ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小さい材料によって形成されているため、動作温度下においてもセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。
【００１７】
前記発明のうちの一つの発明によれば、また、締め付けボルトを上部固定板および押圧板ならびに下部固定板よりも熱膨張係数が大きい材料によって形成したことにより、締め付けボルトの緩みが発生することなくセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セルの構成を示す断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池スタックの概念図である。
【図３】同図（Ａ）は本発明に係る燃料電池スタックの発電ユニットの構成を示す断面図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）におけるIII（Ｂ）部 の拡大図である。
【図４】本発明に係る燃料電池スタックにおいて、セルスタックに荷重をかける構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図１ないし図４に基づいて説明する。
【００２１】
図１に全体を符号１で示す燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セル（以下、単セルという）は、平板型の燃料極２と平板型の空気極３とによって平板型の酸化物からなる電解質４を挟持し、空気極３上に集電層５が配置された構造となっている。燃料極２の材料としては、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎi-ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎi-ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎi-ＳcＳＺ）などの金属Ｎi と前記固体電解質を構成する材料との混合物などがある。
【００２２】
また、空気極３の材料としては、例えばランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルトタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルトタイト（ＳＳＣ）などがある。
【００２３】
また、電解質４の材料としては、例えばスカンジア安定化ジルコニア（ＳcＳＺ）、 イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）等がある。
【００２４】
単セル１から高い発電出力を得るためには、図３（Ａ）に示すようにガス流路７およびガス供給配管８が配設されているインターコネクタとしてのセパレータ９，１０等によって発電ユニット６を形成し、これらセパレータ９，１０を介して、図２に示すように発電ユニット６を積層してセルスタック１２を形成する。このとき、燃料側セパレータ９のガス流路７の配置された面に、図３（Ｂ）に示すように燃料極２と燃料極側セパレータ９との電気的接続を良好とするための集電体１４を配置し、その上に単セル１が配置される。また、燃料極側セパレータ９と単セル１の周辺部の隙間にシール材１５としてホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料などがある。セパレータ９，１０は耐熱性ステンレス鋼によって形成されている。
【００２５】
次に、空気極３側については、ペースト材からなる空気極側接続材料１６を集電層５と空気極側セパレータ１０との間に配置することで、集電層５と空気極側セパレータ１０との電気的接続を向上させることができる。このペースト材は、初回動作前に予め集電層５上に塗布し、その上に空気極側セパレータ１０を配置することで、初回動作時の昇温過程でより良好な電気的接続が得られる。また、セパレータ９，１０と電極２，３間の接触面に圧力をかけることによってさらに良好な電気的接続が得られる。
【００２６】
さらに、同図（Ａ）に示すようにシール材１５上に絶縁体１７を配置することで空気極側セパレータ１０と燃料極側セパレータ９との短絡を防止することができる。この絶縁体１７の材料としては、例えばアルミナなどの高温でも絶縁性のあるセラミックスや、マイカなどの絶縁材料がある。１６は空気極側接続材料、１８はセルホルダーである。
【００２７】
次に、図４を用いて、本発明の特徴であるセルスタック１２に荷重をかけ、セルスタック１２を固定する構造について説明する。
【００２８】
同図において、２０，２１はセルスタック１２の上下端を挟む押圧板および下部固定板であって、これら押圧板２０とセルスタック１２の上端との間および下部固定板２１とセルスタック１２の下端とのそれぞれの間には絶縁板２２が介装されている。押圧板２０の周縁部の二箇所には、後述する支柱ボルト２３の径よりも大きい径の遊挿孔２０ａが設けられており、上面の中心部には、後述する締め付けボルト２６の下端が当接し締め付けボルト２６の直径よりも大きな径の平面視円形のボルト受け部２０ｂが凹設されている。
【００２９】
支柱ボルト２３は上下方向全体にねじ部が形成されており、下端部が下部固定板２１の雌ねじ部（図示せず）に螺合され、下部固定板２１の周縁部の二箇所に立設している。この支柱ボルト２３は上記したセパレータ９，１０よりも熱膨張係数の小さい材料によって形成されている。２４は押圧板２０に対向するように当該押圧板２０の上方に設けられた上部固定板であって、周縁部の二箇所に支柱ボルト２３の径よりも大きい径の遊挿孔２４ａが設けられており、中心部に締め付けボルト２６が螺合する雌ねじ部２４ｂが形成されている。押圧板２０および下部固定板２１ならびに上部固定板２４は耐熱性ステンレス鋼によって形成されており、後述するようにセルスタック１２に荷重をかける際に破断しないように十分な剛性を有する厚さに形成されている。
【００３０】
２５，２５は支柱ボルト２３に螺合されるナットであって、上部固定板２４の上面に係合し、締め付けボルト２６による締め付け動作をするとき、上部固定板２４の上方への移動を規制するストッパとしての機能を有する。締め付けボルト２６の頭部にはハンドル２７が設けられており、ハンドル２７を把持し、締め付けボルト２６を下方に向かって移動させるように回動操作し、締め付け動作を行うことにより、締め付けボルト２６の下端が当接しているボルト受け部２０ｂを介して押圧板２０が下方に押圧される。この締め付けボルト２６は、押圧板２０および下部固定板２１ならびに上部固定板２４よりも熱膨張係数の大きい材料によって形成されている。
【００３１】
このように構成された平板型固体酸化物形燃料電池スタック３０において、セルスタック１２に荷重をかけるときは、ハンドル２７を把持し、締め付けボルト２６を下方に向かって移動させるように回動操作し、締め付け動作を行う。この締め付け動作によって、締め付けボルト２６の下端が押圧板２０のボルト受け部２０ｂに当接し、このボルト受け部２０ｂを介して押圧板２０が下方に押圧される。このとき、反力によって上部固定板２４が上方に移動するように荷重がかかるが、ナット２５によって上方への移動が規制されているため、上部固定板２４は固定状態が保持される。
【００３２】
本発明においては、一つの締め付けボルト２６によってセルスタック１２の中心部を加圧するようにしているため、セルスタック１２に鉛直方向に荷重をかけることができる。このため、セルスタック１２が発電ユニット６毎に横ずれを起こすようなことがないから、セルスタック１２の破損を防止することができる。また、押圧板２０の中心部に、締め付けボルト２６の直径よりも大きな径のねじ受け部２０ｂが設けられていることにより、正確に押圧板２０の中心部に荷重をかけることが可能になる。
【００３３】
また、押圧板２０とセルスタック１２の上端との間および下部固定板２１とセルスタック１２の下端とのそれぞれの間に絶縁板８が介装されていることにより、セルスタック１２の上部と下部とで電気的な短絡を防止できる。
【００３４】
また、下部固定板２１に立設され、押圧板２０および上部固定板２４のそれぞれの遊挿孔２０ａ，２４ａに挿通された支柱ボルト２３がセルスタック１２のセパレータ９，１０を形成している耐熱ステンレス鋼よりも熱膨張係数が小さい材料によって形成されているため、動作温度下においてもセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。
【００３５】
また、締め付けボルト２６を押圧板２０および下部固定板２１ならびに上部固定板２４よりも熱膨張係数が大きい材料によって形成したことにより、締め付けボルト２６の緩みが発生することなくセルスタックに荷重をかけ続けることが可能になる。
【００３６】
ここで、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの効果を評価するために、空気極３がＬＮＦ、燃料極２がＮi とＳＡＳＺのサーメット、電解質４がＳＡＳＺで構成された平板型の燃料極支持型固体酸化物形燃料電池と、フェライト系耐熱性ステンレス鋼で構成されたセパレータ９，１０からなる発電ユニット６を４０段積層したセルスタック１２を作成し、輸送前後の発電特性と長期的な発電特性を評価した。
【００３７】
一方は、本発明の固定方法を用いてセルスタックを固定し、他方は従来技術で説明したようにセルスタックの周辺部分に配置されたボルトのみによって固定した。
【００３８】
輸送前後の８００℃における発電特性を表１に示す。同じ発電電流と燃料利用率および酸素利用率条件下において、本発明の固定方法を用いた場合は、輸送前後で発電特性の低下は見られなかったが、セルスタックの周辺部分に配置されたボルトのみによって固定した従来技術で説明した方法では、発電特性の著しい低下が確認された。
【００３９】
【表１】
0005426485.tif 000002
【００４０】
また、発電電流、燃料利用率および酸素利用率を一定の条件下とした上で、１０００時間の発電出力の維持性を評価した結果を表２に示す。この表２からわかるように、本発明の固定方法を用いた場合は、発電出力の低下は見られなかった。これらの結果から、上述した本発明の作用効果が実証された。
【００４１】
【表２】
0005426485.tif 000003
【００４２】
なお、本実施の形態では、支柱ボルト２３を二本としたが、必要に応じて三本以上としてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料極支持型固体酸化物形燃料電池セル（単セル）、２…燃料極、３…空気極、４…電解質、６…発電ユニット、９，１０…セパレータ（インターコネクタ）、１２…セルスタック、２０…押圧板、２０ａ，２４ａ…遊挿孔、２０ｂ…ボルト受け部、２１…下部固定板、２２…絶縁板、２３…支柱ボルト、２４…上部固定板、２５…ナット、２６…締め付けボルト、３０…平板型固体酸化物形燃料電池スタック。
【図１】
0005426485.tif 000004
【図２】
0005426485.tif 000005
【図３】
0005426485.tif 000006
【図４】
0005426485.tif 000007