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技術 燃料電池スタック

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 吉峯如塚本啓司
出願日 2016年3月31日 (4年7ヶ月経過) 出願番号 2016-072621
公開日 2017年10月5日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2017-183225
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(本体)
主要キーワード セラミック製部材 ボルト締結構造 剛体板 改質状態 個体酸化物 伝熱加熱 ヒートサイクル後 運転開始温度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年10月5日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

簡易かつ小型な構成で高温時のボルト熱伸びによる荷重抜けを防止することが可能な燃料電池スタックを提供する。

解決手段

燃料電池スタック20は、燃料電池セル30が積層されている積層体Xと、積層体Xの積層方向の少なくとも一面に配置されているキャニングマット104と、積層体X及びキャニングマット104を有する積層構造Yに対して、締結によって積層方向に荷重を付与するボルト68と、を備える。

概要

背景

従来、平板積層型燃料電池スタックにおいては、積層された燃料電池セルに対してボルト締結によって荷重を付与することが行われている(特許文献1,2参照)。
かかる燃料電池スタックでは、高温時(熱間時)においても燃料電池セル間ガスシール性及び電気的接続を確保する必要がある。
そのため、特許文献1,2に記載の技術では、バネ弾性体等を設けることによってボルト締結荷重の変化を防止している。

概要

簡易かつ小型な構成で高温時のボルト熱伸びによる荷重抜けを防止することが可能な燃料電池スタックを提供する。燃料電池スタック20は、燃料電池セル30が積層されている積層体Xと、積層体Xの積層方向の少なくとも一面に配置されているキャニングマット104と、積層体X及びキャニングマット104を有する積層構造Yに対して、締結によって積層方向に荷重を付与するボルト68と、を備える。

目的

本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、簡易かつ小型な構成で高温時のボルトの熱伸びによる荷重抜けを防止することが可能な燃料電池スタックを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

燃料電池セルが積層されている積層体と、前記積層体の積層方向の少なくとも一面に配置されている不織布と、前記積層体及び前記不織布を有する積層構造に対して、締結によって積層方向に荷重を付与するボルトと、を備えることを特徴とする燃料電池スタック

請求項2

前記積層構造は、前記積層体と前記不織布との間に配置されている板部材を備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池スタック。

請求項3

前記不織布及び前記板部材を除く前記積層構造と前記ボルトとは、フェライト系SUSによって形成されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池スタック。

請求項4

前記板部材は、前記不織布及び前記板部材を除く前記積層構造と前記ボルトとよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されていることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の燃料電池スタック。

請求項5

前記積層構造は、前記不織布の前記積層体とは反対側に配置されているエンドプレートを備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

技術分野

0001

本発明は、燃料ガス酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する平板状の燃料電池を複数積層した平板積層型燃料電池スタックに関する。

背景技術

0002

従来、平板積層型の燃料電池スタックにおいては、積層された燃料電池セルに対してボルト締結によって荷重を付与することが行われている(特許文献1,2参照)。
かかる燃料電池スタックでは、高温時(熱間時)においても燃料電池セル間ガスシール性及び電気的接続を確保する必要がある。
そのため、特許文献1,2に記載の技術では、バネ弾性体等を設けることによってボルト締結荷重の変化を防止している。

先行技術

0003

特開2000−208163号公報
特開2004−348052号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかし、特許文献1,2に記載の技術では、バネ、弾性体等の機構を設けることによって構成が複雑化するとともに、燃料電池スタックが積層方向に大型化するという問題があった。

0005

本発明は、前述の点に鑑みてなされたものであり、簡易かつ小型な構成で高温時のボルト熱伸びによる荷重抜けを防止することが可能な燃料電池スタックを提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0006

前述した課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、燃料電池セルが積層されている積層体と、前記積層体の積層方向の少なくとも一面に配置されている不織布と、前記積層体及び前記不織布を有する積層構造に対して、締結によって積層方向に荷重を付与するボルトと、を備えることを特徴とする。

0007

かかる構成によると、簡易かつ小型な構成で、不織布の弾性によって、高温時のボルトの熱伸びによる荷重抜けを防止することができる。

0008

前記積層構造は、前記積層体と前記不織布との間に配置されている板部材を備える構成であってもよい。

0009

かかる構成によると、積層体に偏荷重が作用することを防止することができる。

0010

前記不織布及び前記板部材を除く前記積層構造と前記ボルトとは、フェライト系SUSによって形成されている構成であってもよい。

0011

かかる構成によると、積層構造とボルトとの熱膨張差を低減することができる。

0012

前記板部材は、前記不織布及び前記板部材を除く前記積層構造と前記ボルトとよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されている構成であってもよい。

0013

かかる構成によると、不織布の弾性によるボルトの熱変形への追従を可能とし、荷重抜けを好適に防止することができる。
また、荷重抜け防止のための大掛かりな機構が不要であり、コンパクト化が可能である。

0014

前記積層構造は、前記不織布の前記積層体とは反対側に配置されているエンドプレートを備える構成であってもよい。

0015

かかる構成によると、不織布側からの放熱を低減することができる。

発明の効果

0016

本発明によると、燃料電池スタックにおいて、簡易かつ小型な構成で高温時のボルトの熱伸びによる荷重抜けを防止することができる。

図面の簡単な説明

0017

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール概略構成説明図である。
図1部分拡大図である。
前記燃料電池モジュールの斜視説明図である。
本発明の実施形態に係る燃料電池スタックのボルト締結構造を模式的に示す断面図である。

実施例

0018

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池モジュール10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。燃料電池モジュール10には、原燃料(例えば、都市ガス)を供給する原燃料供給装置原燃料ポンプ12を含む)14と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置空気ポンプ16を含む)18とが接続される。

0019

燃料電池モジュール10は、平板積層型燃料電池スタック20、部分酸化改質器(POX)22、熱交換器HEX)24、排ガス燃焼器26及びスタック用加熱器28を備える。燃料電池スタック20は、燃料ガス(水素ガスメタン一酸化炭素が混合した気体)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する平板状の固体酸化物形燃料電池30を備える。複数の燃料電池(燃料電池セル)30は、鉛直方向(矢印A方向)に積層されるとともに、燃料電池積層方向(以下、単に積層方向という)両端には、ベースプレート31a及びエンドプレート31bが配置される。なお、本実施形態において、複数の燃料電池30は、鉛直方向に積層されているが、積層方向は特に限定されず、水平方向に積層されている構成であってよい。

0020

図2に示すように、燃料電池30は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質32の両面に、カソード電極34及びアノード電極36が設けられた電解質・電極接合体MEA)38を備える。

0021

電解質・電極接合体38の両側には、カソード側セパレータ40とアノード側セパレータ42とが配設される。カソード側セパレータ40には、カソード電極34に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路44が形成されるとともに、アノード側セパレータ42には、アノード電極36に燃料ガスを供給する燃料ガス流路46が形成される。なお、燃料電池30としては、従来から使用されている種々の個体酸化物型の燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)を用いることができる。

0022

燃料電池30は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極36では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、COが得られ(内部改質)、この水素、COが電解質32の前記アノード電極36側に供給される。

0023

図1に示すように、燃料電池スタック20には、各酸化剤ガス流路44の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔48aと、前記酸化剤ガス流路44の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔48bとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔48a及び酸化剤ガス出口連通孔48bは、燃料電池スタック20内を積層方向(矢印A方向)に延在する。

0024

燃料電池スタック20には、各燃料ガス流路46の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔50aと、前記燃料ガス流路46の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔50bとが設けられる。燃料ガス入口連通孔50a及び燃料ガス出口連通孔50bは、燃料電池スタック20内を積層方向(矢印A方向)に延在する。

0025

部分酸化改質器22は、炭化水素主体とする原燃料(例えば、都市ガス)と酸化剤ガスとの部分酸化反応により前記原燃料を改質し、燃料電池スタック20に供給される燃料ガスを生成する。部分酸化改質器22は、Pt(白金)、Rh(ロジウム)又はPd(パラジウム)の少なくとも1種類の触媒金属を使用する。

0026

部分酸化改質器22は、具体的には、原燃料中に含まれるメタン(CH4)の他、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)及びブタン(C4H10)等の高級炭化水素(C2+)を、主として水素、COを含む燃料ガスに部分酸化改質するための予備改質器である。部分酸化改質器22は、約500℃〜1000℃の作動温度に設定される。

0027

熱交換器24は、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、燃料電池スタック20に前記酸化剤ガスを供給する。排ガス燃焼器26は、燃料電池スタック20から排出される燃料ガスである燃料排ガスと酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、燃焼ガスを発生させるとともに、熱交換器24に供給する。スタック用加熱器28は、燃料電池スタック20の昇温、降温又は温度維持を行う機能を有し、例えば、セラミックヒータ燃焼バーナ等が使用される。

0028

燃料電池スタック20の積層方向一端側(ベースプレート31a側)には、部分酸化改質器22、熱交換器24及び排ガス燃焼器26が配置される。燃料電池スタック20の積層方向他端側(エンドプレート31b側)には、スタック用加熱器28が配置される。

0029

原燃料供給装置14は、原燃料を部分酸化改質器22に供給する原燃料通路52を備える。酸化剤ガス供給装置18は、酸化剤ガスを熱交換器24から燃料電池スタック20の酸化剤ガス入口連通孔48aに供給する酸化剤ガス通路54を備える。酸化剤ガス通路54から分岐する酸化剤ガス分岐通路56は、原燃料通路52の途上に接続され、部分酸化改質器22に原燃料と酸化剤ガスとの混合ガスが供給される。部分酸化改質器22には、部分酸化改質された燃料ガスを燃料電池スタック20の燃料ガス入口連通孔50aに供給する燃料ガス通路58が接続される。

0030

燃料電池スタック20の酸化剤ガス出口連通孔48bには、前記燃料電池スタック20から排出される酸化剤排ガスを排ガス燃焼器26に導入させる酸化剤排ガス通路60が接続される。燃料電池スタック20の燃料ガス出口連通孔50bには、前記燃料電池スタック20から排出される燃料排ガスを排ガス燃焼器26に導入させる燃料排ガス通路62が接続される。排ガス燃焼器26の出口側には、燃焼ガス通路64の一端が連通するとともに、前記燃焼ガス通路64の他端が熱交換器24に接続される。熱交換器24には、酸化剤ガスとの熱交換に使用された燃焼ガス(排ガス)を排出する排気通路66が接続される。

0031

図3に示すように、燃料電池スタック20では、ベースプレート31a及びエンドプレート31b間が複数本止めねじ(ボルト)68により固定され、積層方向に所望の締め付け荷重が付与される。エンドプレート31bには、スタック用加熱器28が直接固定される一方、ベースプレート31aには、熱交換器24及び排ガス燃焼器26が互いに並列して直接固定される。

0032

熱交換器24及び排ガス燃焼器26は、矩形状を有し、互いに並列されることにより、全体の外形寸法がベースプレート31aの外形寸法と略同一又は同一以下の近似した寸法に設定される。熱交換器24及び排ガス燃焼器26には、部分酸化改質器22が直接固定される。

0033

このように構成される燃料電池モジュール10の動作について、以下に説明する。

0034

燃料電池モジュール10の起動時には、図1に示すように、酸化剤ガス供給装置18では、空気ポンプ16の駆動作用下に酸化剤ガス通路54に空気が供給される。空気の一部は、酸化剤ガス分岐通路56に導入されて部分酸化改質器22に供給されるとともに、残余の空気は、熱交換器24に供給される。

0035

一方、原燃料供給装置14では、原燃料ポンプ12の駆動作用下に原燃料通路52に、例えば、都市ガス(CH4、C2H6、C3H8、C4H10を含む)等の原燃料が供給される。原燃料は、部分酸化改質器22内に供給される。このため、部分酸化改質器22内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、部分酸化改質が開始される。

0036

例えば、O2/C=0.5に設定されると、2CH4+O2→4H2+2COとなる部分酸化反応が発生する。この部分酸化反応は、発熱反応であり、部分酸化改質器22から高温(約500℃〜1000℃)の還元ガス(燃料ガス)が発生する。

0037

高温の還元ガスは、燃料ガス通路58を介して燃料電池スタック20の燃料ガス入口連通孔50aに供給される。燃料電池スタック20では、高温の還元ガスは、各燃料ガス流路46を流通した後、燃料ガス出口連通孔50bから燃料排ガス通路62に排出される。還元ガスは、燃料排ガス通路62に連通する排ガス燃焼器26内に導入される。

0038

排ガス燃焼器26には、後述するように、空気(酸化剤ガス)が供給されており、前記空気と還元ガスとが、自己着火され、又は着火手段(図示せず)により着火され、燃焼される。排ガス燃焼器26内に発生した燃焼ガスは、燃焼ガス通路64から熱交換器24に供給され、前記熱交換器24に供給された空気が昇温される。

0039

昇温された空気は、燃料電池スタック20の酸化剤ガス入口連通孔48aに供給され、各酸化剤ガス流路44を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔48bから酸化剤排ガス通路60に排出される。さらに、空気は、排ガス燃焼器26に導入されて、燃焼処理に使用される。このため、排ガス燃焼器26では、燃焼により燃料電池スタック20をベースプレート31a側から輻射又は伝熱加熱する。

0040

上記の酸化剤ガス供給装置18及び原燃料供給装置14の駆動と同時に、スタック用加熱器28が駆動される。従って、燃料電池スタック20は、エンドプレート31b側からも加熱される。

0041

燃料電池スタック20は、所望の運転開始温度に昇温されるとともに、部分酸化改質器22の改質状態が良好であると判断されると、発電が開始される。燃料電池スタック20の発電時は、上記の起動時と同様に、空気が酸化剤ガス流路44を流通する一方、燃料ガスが燃料ガス流路46を流通する。これにより、図2に示す各燃料電池30のカソード電極34に空気が供給されるとともに、アノード電極36に燃料ガスが供給され、化学反応により発電が行われる。

0042

<燃料電池スタックのボルト締結構造>
続いて、燃料電池スタック20について、図4を参照して説明する。図4において、積層されている各部材は、分かりやすくするために離間して記載されている。

0043

図4に示すように、燃料電池スタック20は、複数の燃料電池セル30と、ダミーの燃料電池セル30Aと、複数のガスケット101と、上下一対ターミナルプレート102と、剛体板103と、キャニングマット104と、上下一対のスカート105と、スタックケース106と、ベースプレート31aと、エンドプレート31bと、ボルト68と、を備える。

0044

≪燃料電池セル、積層体及びダミーの燃料電池セル≫
燃料電池セル30は、いわゆるMSC(Metal-Supported Cell)であり、主にフェライト系SUS(例えば、NSS455M2)によって形成されている金属製部材である。複数の燃料電池セル30は、上下方向に積層されており、2つの燃料電池セル30間に設けられているガスケット101とともに積層体Xを構成している。積層体Xは、図4においては3層の燃料電池セル30を有しているが、4層以上の燃料電池セル30を有する構成であってもよい。

0045

ダミーの燃料電池セル30Aは、積層体Xの上側にガスケット101を介して配置されている。

0046

≪ガスケット≫
複数のガスケット101は、平板形状を呈する金属製部材(フェライト系SUS(例えば、NSS455M2)製)であって、燃料電池スタック20の他部材間に配置されるスペーサである。複数のガスケット101は、それぞれ、2つの燃料電池セル30間、積層体Xとダミーの燃料電池セル30Aとの間、積層体Xと下側のターミナルプレート102との間、下側のターミナルプレート102と下側の剛体板103との間、及び、下側の剛体板103とスカート105との間に配置されている。

0047

≪ターミナルプレート≫
上下一対のターミナルプレート102は、平板形状を呈する金属製部材(フェライト系SUS(例えば、NSS455M2)製)である。上側のターミナルプレート102は、ダミーの燃料電池セル30Aの上側に配置されており、下側のターミナルプレート102は、積層体Xの下側に配置されている。

0048

≪剛体板≫
上下一対の剛体板103は、板部材の一例であって、平板形状を呈する金属製又はセラミック製部材オーステナイト系SUS、アルミナ等)である。上側の剛体板103は、上側のターミナルプレート102の上側に配置されており、下側の剛体板103は、下側のターミナルプレート102の下側に配置されている。

0049

剛体板103は、上下一対の当該剛体板103間に配置されている内部部材、上下一対のスカート105、ベースプレート31a及びエンドプレート31bよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されている。また、積層体Xとキャニングマット104との間に配置されている上側の剛体板103は、キャンニングマット104を介して付与される荷重をターミナルプレート102、ダミーの燃料電池セル30A及び燃料電離セル30の積層体Xへ均一に伝達することが可能な剛性を有する。

0050

≪キャニングマット≫
キャニングマット104は、セラミックファイバ製(例えば、アルミナ繊維製)の不織布である。キャニングマット104は、上側の剛体板103の上側に配置されている。キャニングマット104は、以下に示す性能を有する。
・高温(例えば、700度)での耐久性が高い
断熱性及び絶縁性を有する
・高温(例えば、700度)でも弾性を有する

0051

より詳細には、キャニングマット104は、ストレスサイクル特性に優れた無膨張マットである。また、キャニングマット104は、高温(SOFC運転温度である700度)において、材料劣化等に伴う荷重抜けを防ぐことができる。また、キャニングマット104は、室温とSOFC運転温度とが繰り返されるヒートサイクルにおいても、材料劣化等に伴う荷重抜けを防ぐことができる。

0052

≪スカート及びスタックケース≫
上下一対のスカート105は、縁部にフランジ部が形成されている平板形状を呈する金属製部材(フェライト系SUS(例えば、NSS455M2)製)である。スタックケース106は、四角筒形状を呈する金属製部材(フェライト系SUS(例えば、NSS455M2)製)である。上下一対のスカート105及びスタックケース106は、スカート105のフランジ部がスタックケース106の内周面接合されることによって、筐体を構成する。

0053

≪ベースプレート及びエンドプレート≫
ベースプレート31aは及びエンドプレート31bは、平板形状を呈する金属製部材(フェライト系SUS(例えば、NSS455M2)製)である。ベースプレート31aは、下側のスカート105の下側に配置されており、エンドプレート31bは、上側のスカート105の上側に配置されている。

0054

≪ボルト≫
ボルト68は、燃料電池スタック20の各部材を締結固定するとともに、締結によって各部材に荷重を付与するための金属製部材(フェライト系SUS)である。

0055

≪積層構造≫
かかる燃料電池スタック20では、下から順に、ベースプレート31a、スカート105、ガスケット101、剛体板103、ガスケット101、ターミナルプレート102、積層体X、ガスケット101、ダミーの燃料電池セル30A、ターミナルプレート102、剛体板103、キャニングマット104、スカート105、及び、エンドプレート31bが積層されて積層構造Yを構成している。積層構造Yを構成する各部材には、ボルト挿通穴が形成されている。また、ベースプレート31aに形成されたボルト挿通穴は、ボルト68と螺合可能な有底の雌ネジ部である。ボルト68の軸部は、金属製のボルトカラー107を介して積層された各部材のボルト挿通穴に挿通され、ベースプレート31aのボルト挿通穴に螺合する。

0056

ボルト68は、かかる締結によって、積層構造Yに対して積層方向に荷重を付与する。かかる荷重は、以下に示す大小関係を満たすことが望ましい。

キャニングマット104の耐荷重> ボルト68によって締結初期に付与される荷重 > ボルト68によって締結緩和後に付与される荷重 >ヒートサイクル後にボルト68によって付与される荷重 >積層体Xのシール性及び電気的接続(集電)に必要な荷重

0057

≪積層構造及びボルトの材料≫
本実施形態において、キャニングマット104及び剛体板103を除く積層体Yとボルト64とは、高温(700度)における線膨張係数が略同じであるフェライト系SUSによって形成されている。また、剛体板103は、キャニングマット104及び剛体板103を除く積層体Yとボルト64とよりも高温(700度)における線膨張係数が大きいオーステナイト系SUSによって形成されている。

0058

本発明の実施形態に係る燃料電池スタック20は、キャニングマット104が設けられているので、簡易かつ小型な構成で、当該キャニングマット104の弾性によって、高温時のボルト68の熱伸びによる荷重抜けを防止することができる。

0059

また、燃料電池スタック20は、キャニングマット104と積層体Xとの間に剛体板103が設けられているので、積層体Xに偏荷重が作用することを防止することができる。

0060

また、燃料電池スタック20は、キャニングマット104及び剛体板103を除く積層構造Yとボルト68とがフェライト系SUSによって形成されているので、積層構造Yとボルト68との熱膨張差を低減することができる。

0061

また、燃料電池スタック20は、剛体板103がキャニングマット104及び剛体板103を除く積層構造Yとボルト68とよりも線膨張係数が大きい材料によって形成されているので、キャニングマット104の弾性によるボルト68の熱変形への追従を可能とし、荷重抜けを好適に防止することができる。
また、燃料電池スタック20は、荷重抜け防止のための大掛かりな機構が不要であり、コンパクト化が可能である。

0062

また、燃料電池スタック20は、エンドプレート31bが設けらているので、キャニングマット104側からの放熱を低減することができる。

0063

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、キャニングマット104は、下側の剛体板103と下側のスカート105(又はベースプレート31a)との間にも配置されている構成であってもよい。

0064

20燃料電池スタック
30燃料電池セル(燃料電池)
31bエンドプレート
68ボルト
103剛体板(板部材)
104キャニングマット(不織布)

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