(57)【要約】 【課題】  燃料電池の熱サイクルで生じるセパレータの塑性変形を防止し、発電セルの破損を防止する。【解決手段】  発電セル５と反応用ガス通路１１、１２を備えたセパレータ８が交互に複数積層されると共に、積層体の外周部に、各セパレータ８のガス通路１１、１２に連通して積層方向に連通する燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドが設けられ、積層体が積層方向より加重されている。セパレータ８は、中央部に発電セル５が配設されるインターコネクト部８ａと、インターコネクト部８ａの縁部より延設され、それぞれの端部８ｃが燃料ガスマニホールドおよび酸化剤ガスマニホールドに連結される一対のアーム部８ｂとを備える。アーム部８ｂには積層方向に変位可能となる可撓性が付与されており、且つ、アーム部８ｂの変形が熱サイクル期間において、弾性範囲内に維持されている。【選択図】図３
2008218278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルと内部に反応用ガス通路を備えたセパレータが交互に複数積層されると共に、当該積層体の外周部に、各セパレータのガス通路に連通して積層方向に連通する燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドが設けられ、且つ、前記積層体が積層方向より加重されて成る平板積層型の燃料電池において、
前記セパレータは、中央部に発電セルが配設されるインターコネクト部と、当該インターコネクト部の縁部より延設されて、それぞれの端部が前記燃料ガスマニホールドおよび前記酸化剤ガスマニホールドに連結される一対の細長帯状のアーム部とを備え、
前記アーム部に、積層方向に変位可能となる可撓性が付与されており、且つ、前記アーム部の変形が、起動時から発電時を経て停止時に亘る熱サイクル期間において、弾性範囲内に維持されていることを特徴とする平板積層型の燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガスマニホールドと前記酸化剤ガスマニホールドは、方形柱状からなる前記積層体の一対向角部に設けられ、且つ、各アーム部の延設部分が前記アーム部の端部の対角位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の平板積層型の燃料電池。
【請求項３】
前記アーム部の角部に丸みを持たせたことを特徴とする請求項請求項２に記載の平板積層型の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して成る平板積層型の燃料電池に関し、特に、セパレータの構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造の発電セルとセパレータ交互に多数積層した平板型積層型の燃料電池が知られている。
【０００３】
この平板積層型燃料電池は、上述した複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータ、集電体等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性が要求されており、例えば、スタックの上下端に配した固定板をボルト、ナットにて締め付けすることにより、積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造が採られている。
【０００４】
ところが、特に、内部マニホールド構造の平板型燃料電池の場合では、スタック中央の発電部分とスタック縁部のマニホールド部分とで積層される構成要素が異なるため、マニホールド部分と発電部分を締付板を用いて上下より締め付けると、剛性の高いセパレータ板をもってその縁部と中央部が同じ変位量で締め付けられることから、双方の高さの違いが起因して各部の締め付けが不十分となって、各構成要素の密着性が損なわれたり、発電部分に過大な締め付け力が加わって、発電セルが破損するという問題があった。
【０００５】
係る問題に鑑み、出願人は先に特許文献１によりマニホールド部分と発電部分の双方を好適荷重にて締め付けできるセパレータ構造を提案している。
【０００６】
特許文献１には、図４に示すように、中央部に発電セル５が位置するインターコネクト部８ａの縁部より一対の細長帯状のアーム部８ｂを延設し、その端部（マニホールド部８ｃ）を積層体の外周部に設けた燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドに固定する構造のセパレータ８が開示されている。
上記構造のセパレータ８では、アーム部８ｂが積層方向に変位可能となる可撓性を有するため、セパレータ８に掛かる積層方向の荷重をマニホールド部分８ｃとインターコネクト部分８ａとに分離することができ、これにより、マニホールド部分８ｃとインターコネクト部分８ａの高さの差異等を吸収して双方を好適荷重にて締め付けることが可能となる。
【０００７】
ところが、図４に示すセパレータは、構造上、以下のような問題点を有していた。
すなわち、発電時の高温条件下において、高温荷重下のクリープ変形により集電体の厚さが減少してスタックの高さが減少すると、セパレータ８のアーム部８ｂが変形してインターコネクト部８ａがマニホールド部８ｃより低い位置に変位するが、図４の場合、マニホールド部分８ｃが四角形セパレータの一対向角部に位置し、アーム部８ｂの延設部８ｄがセパレータの上下辺の途上に位置する構造であるため、アーム部８ｂの長さを十分に確保することができず、アーム部８ｂに大きな変形が生じ、この変形は塑性変形領域に達するようになる。
図４において、符号イで示すマニホールド部８ｃの近傍は、曲げによる大きな塑性変形が生じている部分であり、符号ロで示す延設部分８ｄの近傍は、捻れによる塑性変形が生じている部分である。
【０００８】
このように、発電時にアーム部８ｂに塑性変形が生じると、降温時の温度低下によってスタック全体が収縮していく過程で変形したアーム部８ｂを介して発電セル５に不必要に大きな力が加わるため、発電セル５が破損する虞があった。また、アーム部８ｂの捻れや曲がりによってインターコネクト部８ａが変形すると、発電セル５に不均一な応力が生じるため、発電セル５が破損する虞があった。
【特許文献１】特開２００６−１２０５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、燃料電池の熱サイクルで生じるセパレータの塑性変形を防止し、これによって発電セルの破損を防止できる平板積層型の燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に記載の発明は、発電セルと内部に反応用ガス通路を備えたセパレータが交互に複数積層されると共に、当該積層体の外周部に、各セパレータのガス通路に連通して積層方向に連通する燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドが設けられ、且つ、前記積層体が積層方向より加重されて成る平板積層型の燃料電池において、前記セパレータは、中央部に発電セルが配設されるインターコネクト部と、当該インターコネクト部の縁部より延設されて、それぞれの端部が前記燃料ガスマニホールドおよび前記酸化剤ガスマニホールドに連結される一対の細長帯状のアーム部とを備え、前記アーム部に、積層方向に変位可能となる可撓性が付与されており、且つ、前記アーム部の変形が、起動時から発電時を経て停止時に亘る熱サイクル期間において、弾性範囲内に維持されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の平板積層型の燃料電池において、前記燃料ガスマニホールドと前記酸化剤ガスマニホールドは、方形柱状からなる前記積層体の一対向角部に設けられ、且つ、各アーム部の延設部分が前記アーム部の端部の対角位置に設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の平板積層型の燃料電池において、前記アーム部の角部に丸みを持たせたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜３に記載の発明によれば、発電時の高温雰囲気下においてセパレータのアーム部が弾性変形を維持していると、降温過程においてアームが塑性変形した場合に生ずる発電セルへの不必要な応力の発生を防ぎ、発電セルの破損が止される。
【００１４】
特に、請求項２に記載のように、アーム部の延設部分が端部の対角位置に設けられることにより、アーム長を十分確保することができ、これにより、高温荷重下におけるアーム部の局所的な歪みを小さくできるため、アーム部の変形を弾性範囲内に維持することが可能となる。
加えて、このように、アーム部の延設部分が端部の対角位置に設けられることにより、インターコネクト部とアーム部の延設部分との距離を極力大きくすることができる。これにより、アーム部の変形による力がインターコネクト部に及ぼす影響を少なくでき、インターコネクト部の平面性を維持できるため、発電セルへの偏荷重が防止され、発電セルの破損を防止することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明によれば、アーム部の角部に丸みを持たせて不連続部分を無くすことにより、角部における応力集中が減少し、アーム部の局所的な塑性変形を抑制することができる。これにより、アーム部の変形を弾性範囲に維持することができるため、発電セルの破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図１〜図３基づいて、本発明による固体酸化物形燃料電池の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型固体酸化物形燃料電池１（燃料電池スタック１）の構成を示し、図２は図１の一部拡大を示し、図３はセパレータ８の構造を示している。
【００１７】
図２に示すように、スタックユニット１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した円形の発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ８とで構成されている。
【００１８】
これら発電要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されされている。
【００１９】
また、セパレータ８は、図３に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されている。このセパレータ８は、上述した発電セル５、各集電体６、７が積層される中央部分のインターコネクト部８ａと、このインターコネクト部８ａより面方向に延設されて、当インターコネクト部８ａの対向縁部を２カ所で支持する一対のアーム部８ｂ、８ｂとを備える。中央部のインターコネクト部８ａは、集電体６、７を介して発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）を供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路１２と燃料ガス通路１１が形成されている。
【００２０】
各アーム部８ｂ、８ｂの端部８ｃ、８ｃ（マニホールド部分８ｃ、８ｃ）は、それぞれ方形状のセパレータ８の一対向角部に設けられ、且つ、インターコネクト部８ａから延設する部分（延設部分８ｄ）は、それぞれマニホールド部分８ｃの対角位置に設けられている。すなわち、各アーム部８ｂは、それぞれのマニホールド部分８ｃより垂直方向に延び、その途上において水平方向に曲げられて、対角位置に設けられた延設部分８ｄに至る。
そして、これらのアーム部８ｂ、８ｂを細長帯状として積層方向に変位可能となる可撓性を持たせていると共に、アーム全体に不連続な角部を無くして丸みを持たせた形状としている。アーム部８ｂとインターコネクト部８ａの間には、僅かな隙間が形成されている。
【００２１】
また、これらアーム部８ｂ、８ｂの端部８ｃ、８ｃ、すなわち、マニホールド部分８ｃ、８ｃには、板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔１４と燃料ガス孔１３が設けられており、酸化剤ガス孔１４は、一方のアーム部８ｂを介してセパレータ８の酸化剤ガス通路１２に連通し、燃料ガス孔１３は、他方のアーム部８ｂを介して燃料ガス通路１１に連通し、各々のガス孔１４、１３から、これらのガス通路１２、１１を通してガス通路末端のガス吐出口１２ａ、１１ａより各発電セル５の各電極面（空気極層４および燃料極層３）の中央部に酸化剤ガスおよび燃料ガスを吐出するようなっている。
【００２２】
上記構成のスタックユニット１０を、図１、図２に示すように、間にリング状の絶縁性ガスケット１５、１６を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ８よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１４、１３を介して積層方向に連結され、スタックの一対向角部に積層方向に延びる内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールド１８および燃料ガスマニホールド１７）が形成される。
【００２３】
また、上記上締付板２０ａの中央部には、発電セル５の外径より大きい丸孔２３が設けられ、この丸孔２３より、セパレータ８のインターコネクト部８ａ、すなわち、発電セル５が配設される部分が露出するようになっている。
本実施形態では、この上締付板２０ａの丸孔２３の部分に絶縁部材２４を介して錘２２が載置され、この錘２２による荷重にてセパレータ８のインターコネクト部８ａ部分が積層方向に押圧され（荷重はスタック上端部で３ｋｇｆ程度、スタック下端部で３０ｋｇｆ程度に設定されている）、スタックユニット１０を構成する複数の発電要素が相互に密着させられて一体的に固定されるようになっている。
【００２４】
尚、発電セル５とセパレータ８間に介在されている燃料極集電体６と空気極集電体７は、スポンジ状の多孔質燒結金属であるから、錘２２により燃料電池スタック１に荷重が掛けられた状態では、これらのスポンジ状部材が若干潰されているため、セパレータ８のインターコネクト部８ａがアーム部８ｂのマニホールド部分８ｃより縦方向において低い位置（２〜３ｍｍ程度）に変位し、細長帯状のアーム部８ｂが斜め下方に歪曲された状態となっている。
【００２５】
そして、運転時（発電時）には、酸化剤ガスマニホールド１８および燃料ガスマニホールド１７に外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ８の酸化剤ガス孔１４、燃料ガス孔１３より酸化剤ガス通路１２、燃料ガス通路１１を介して各発電セル５の空気極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。尚、発電時、燃料電池スタック１の温度は６００〜８００℃程度となっている。
【００２６】
以上のように、本実施形態によれば、セパレータ８のアーム部８ｂに可撓性を持たせることにより、セパレータ８のマニホールド部分８ｃとインターコネクト部８ａのそれぞれに相互に影響することなく最適荷重を掛け得る構造としており、この結果、発電要素間に良好な電気的接触性が得られると共に、マニホールド部分８ｃのガスシール性が向上し、発電性能と発電効率の向上が図れる。
【００２７】
そして、本実施形態では、特に、方形状のセパレータ８において、延設部分８ｄと端部８ｃが対角位置となるように各アーム部８ｂ、８ｂを設けることにより、図４に示した従来型のセパレータ８に較べてアーム部８ｂを長くすることができる。これにより、荷重によるアーム部８ｂの局所的な歪みを小さくすることができ、発電時の高温荷重下においてもアーム部８ｂの変形を弾性範囲内に維持することができるようになる。このように、アーム部８ｂが高温荷重下において弾性変形を維持していることにより、降温時に燃料電池スタック全体が収縮していく過程で、アームが塑性変形した場合に生ずる発電セル５への不必要な応力発生を防ぎ、発電セル５の破損が防止できる。
また、このように、アーム部８ｂの延設部分８ｄと端部８ｃが方形状セパレータ８の対角位置に配置されることにより、インターコネクト部８ａとアーム部８ｂの延設部分８ｄとの距離ｄを極力大きくすることができる。これにより、アーム部８ｂの変形による力が延設部分８ｄを介してインターコネクト部８ａに及ぼす影響を極力少なくでき、インターコネクト部８ａの変形を抑制して平面性を維持できるため、発電セル５への偏荷重が防止され、発電セル５の破損が防止できる。
【００２８】
また、アーム部８ｂの角部に丸みを持たせて不連続部分を無くすことにより、各角部における応力集中が減少し、アーム部８ｂの局所的な塑性変形を抑制することができる。これにより、アーム部８ｂの変形を弾性範囲に維持することができ、発電セル５の破損が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。
【図２】図１の一部拡大図。
【図３】図１のセパレータの構造を示す図。
【図４】従来例として示したセパレータの構造を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１  平板型燃料電池（平板積層型固体酸化物形燃料電池）
５  発電セル
８  セパレータ
８ａ  インターコネクト部
８ｂ  アーム部
８ｄ  延設部分
８ｃ  端部（マニホールド部分）
１７  燃料ガスマニホールド
１８  酸化剤ガスマニホールド
【図１】
2008218278.tif 000003
【図２】
2008218278.tif 000004
【図３】
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【図４】
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