JP4337587B2 - インターコネクタ及び燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、高温環境下において使用可能なインターコネクタ、及びこのインターコネクタを利用して燃料電池と集電体との間の電気的接続を確保する燃料電池スタックに関する。

一般に、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell；ＳＯＦＣ）等の燃料電池が複数積層された燃料電池スタックでは、集電体と燃料電池との間の電子のやり取りが燃料電池スタック全体の発電量を大きく左右するために、燃料電池の熱変形が生じる高温環境下において集電体と燃料電池との間の電気的接続を確保することは安定した発電量を得る上で非常に重要である。

このような背景から、従来までの燃料電池スタック、中でも運転温度が高いＳＯＦＣスタックにおいては、運転温度が上昇しても燃料電池の全面に渡って均一に集電体を燃料電池に電気的に接続させるために、導電性セラミクス，発泡金属や金属繊維等の多孔質金属，若しくは波板に圧力を印加して集電体を燃料電池に接触させる手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２０００−３６６５４号公報

しかしながら、導電性セラミクスに圧力を印加して集電体を燃料電池に接触させる方法は、導電性セラミクスの抵抗が大きいことから、運転温度が１０００［℃］程度の高温となる燃料電池スタックへの適用に限定されてしまう。また、一般に導電性セラミクス体は高価であることから、燃料電池スタックの製造コストが増加してしまう。

一方、多孔質金属に圧力を印加して集電体を燃料電池に接触させた場合には、多孔質金属の剛性や弾性が７００［℃］程度以上の高温になると失われるので、高温環境下においては、燃料電池と集電体との間の接触圧を維持して電気的接続を確保することができない。また、波板に圧力を印加して集電体を燃料電池に接触させた場合も同様、波板の剛性が高温になると失われるので、高温環境下では燃料電池と集電体との間の電気的接続を確保するができない。

なお、半導体装置の組み立て手法の一つである、外表面に導電性の金属層を有する樹脂製のインターコネクタを利用して高温環境下において電気的接続を確保する方法も考えられるが、この方法は、ＳＯＦＣのような６００［℃］以上の高温の酸素を含む高温環境で大電流を扱う系への適用は想定していないために、信頼性がなく、ＳＯＦＣスタックにそのまま適用することはできない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造コストを増加させることなく高温環境下においても均一な電気的接続を確保可能な、信頼性の高いインターコネクタを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、製造コストを増加させることなく高温環境下においても燃料電池全面に渡って燃料電池と集電体の均一な電気的接続を確保可能な、信頼性の高い燃料電池スタックを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係るインターコネクタの特徴は、端部が互いに気密接合された２枚の金属板を備え、少なくとも一方の金属板は板面間に空隙が形成されるように成形され、空隙内には不活性ガスが封入され、金属板の少なくとも一方は波形に成型されていることにある。

本発明に係るインターコネクタ及び燃料電池スタックによれば、高温動作時には、内圧が上昇することによりインターコネクタが膨張するので、電気的接続を均一に確保することができる。

また、本発明に係るインターコネクタ及び燃料電池スタックによれば、インターコネクタは金属板により構成されているので、インターコネクタの製造コストを削減することができる。

また、本発明に係るインターコネクタ及び燃料電池スタックによれば、インターコネクタを構成する金属板間には不活性ガスが封入されているので、インターコネクタの信頼性を長期間確保することができる。

本発明に係るインターコネクタは、例えば、運転温度が高い固体酸化物型燃料電池を複数積層した燃料電池スタックに適用することができる。以下、図面を参照して、本発明に係るインターコネクタを上記燃料電池スタックに適用した、本発明の第１乃至第３の実施形態となる燃料電池スタックの構成について詳しく説明する。

なお、以下の説明に用いる各図では、説明を容易にするために燃料電池スタックが模式的に示されており、各図は正確な寸法比を示すものではない。また、説明内における温度等の数値は一実施形態であり、本発明はこの値に限定されるものではないことは勿論である。

［燃料電池スタックの構成］
始めに、図１，２を参照して、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックの構成について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックの構成を示す部分断面図である。また、図２は、図１に示すインターコネクタの構成を示す部分断面図である。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックは、図１に示すように、中心部分に開口部を有する円盤形状（ドーナツ形状）の固体酸化物型燃料電池（以下、燃料電池と略記）１が上下方向に複数積層された構成を有し、各燃料電池１は、電解質膜２と、電解質膜２を挟持するように配設され、それぞれ燃料電池１のカソード及びアノードとして機能する空気極３及び燃料極４とを有する。

また、空気極３と燃料極４の両面には、燃料電池１の起電力を取り出すための、多孔質の低抵抗導電体から成る集電体５が設けられている。そして、このような構成を有する燃料電池スタックでは、燃料電池１の開口部を介してガス交換器６から空気極３及び燃料極４にそれぞれ酸素ガス及び水素ガスを供給することにより、燃料電池１が起電力を発生し、燃料電池１が発生した起電力は集電体５により外部に取り出される。

また、この燃料電池スタックでは、対向する集電体５間に、中心部分に開口部を有する円盤形状のインターコネクタ７が設けられ、このインターコネクタ７は、図２に示すように、気密性を有する２枚の金属板１１，１２と、この金属板１１，１２間に挿入された金属フェルト１３と、金属フェルト１３を金属板１１，１２に固定するロウ材料１４とにより構成されている。

また、２枚の金属板１１，１２の端部、すなわちインターコネクタ７の内周側及び外周側部分は、レーザー溶接によって互いに気密接合され、金属板１１，１２間には不活性ガスであるＡｒ（アルゴン）が封入されている。そして、このような構成を有するインターコネクタ７は、酸化ガスと水素ガスが混合することを防止するガスセパレータとしての機能と、運転温度の変化に伴う内圧の変化に応じて伸縮することにより、集電体５と空気極３及び燃料極４との電気的接続を確保する空気バネとしての機能とを兼ね備える。

なお、この実施形態では、金属板１１，１２は、厚さ１００［μｍ］のＳＵＳ４３０により形成され、金属フェルト１３は、φ５０［μｍ］銅の細線を圧縮厚さが０．３［ｍｍ］になるように絡めたものにより形成されている。また、ロウ材料１４は、金属フェルト１３を形成する細い銅線が吸われないように、Ｎｉロウ材料により形成されている。

［インターコネクタの製造方法］
次に、図３を参照して、上記インターコネクタ７の製造方法について説明する。

図３は、インターコネクタの平面断面図を示す。

上記インターコネクタ７を製造する際は、始めに、中心部分に開口部を有する円盤状の金属板１２の上表面にロウ材料１４ａを格子状に配置した後、金属板１２の外周より内側に納まるように金属フェルト１３をロウ材料１４ａ上に配置する。次に、図３に示すように、金属板１２上に形成されたロウ材料１４ａの格子位置と一致しないように、金属フェルト１３上にロウ材料１４ｂを格子状に配置した後、金属フェルト１３上に形成されたロウ材料１４ｂ上に、金属板１２と同形状の金属板１１を配置する。なお、ロウ材料１４ａとロウ材料１４ｂ間の距離は、実際には図３に示した状態より密なものとする。

次に、不活性ガス中若しくは真空中でロウ付け温度（ロウ材料１４ａ，１４ｂの溶融温度）まで昇温することにより、金属板１１，１２と金属フェルト１３とをロウ付け固定する。そして最後、金属フェルト１３により金属板１１，１２間の間隙を確保した状態で、Ａｒ雰囲気下で金属板１１，１２の端面を合わせてレーザー溶接により気密接合する。これにより、インターコネクタ７の一連の製造工程は終了する。

なお、この実施形態では、図３に示すように、ロウ材料１４ａ，１４ｂを格子状に配置したが、本発明はこれに限られることはなく、円盤状の金属板１１，１２の同心円状等、他の形状に配置してもよい。また、インターコネクタ７を製造する際には、ロウ材料１４ａ，１４ｂが金属フェルト１３を濡らして直接接合しないように、ロウ材料１４ａ，１４ｂの量と金属フェルト１３への押し込み圧力を調整することが望ましい。また、ロウ付け処理の代わりに、超音波接合等の他の接合方法を用いて金属板１１，１２と金属フェルト１３を接合してもよい。

また、運手温度の上昇に伴い内圧が上昇した際のインターコネクタ７の伸び代を提供するために、図４に示すように金属板１１，１２を波形に成型してもよいし、金属板１１，１２が外周部に膨張した時の最高点を中心として、波形を同心円状に成型してもよい。また、図５に示すように、金属フェルト１３の代わりに、柔軟性を有する薄い金属板１５を折り曲げた物を金属板１１，１２に固定して用いてもよい。なお、金属板１１，１２が円盤状である場合には、金属板１１，１２を波形に成形してもインターコネクタ７の外形寸法が変化することはない。

さらに、図６に示すように、金属板１１の端部だけ波形に成型してもよい。なお、この図６に示す例では、金属板１１の凸部において金属フェルト１３を金属板１１，１２にロウ付けしているが、凸部と凹部のどちらの部分で金属フェルト１３を金属板１１にロウ付けしてもよい。

また、図７に示すように、金属板１１，１２の両方を波形に成型し、一方の金属板の凹部と他方の金属板の凸部の位置を合わせるように金属板１１と金属板１２を配置してもよい。このようなインターコネクタ７の構成によれば、インターコネクタ７の全高を抑制することができる。

また、この実施形態では、封入ガスとして不活性ガスであるＡｒを用いたが、本発明はこれに限られることはなく、他の不活性ガスであるＮｅ（ネオン）やＸｅ（キセノン）、若しくは、これら不活性ガスの混合気体を利用してもよい。但し、同じ不活性ガスであるＨｅ（ヘリウム）は、微小なガスリークパスの検出用として用いられることから明らかなように、非常にリークしやすいので、長期の気密維持を確保する上では相応しくない。

また、Ｎ_２（窒素ガス）は、不活性ガスとして分類されることがあるが、高温環境下においては他の材料と窒化反応を引き起こす場合があるので、封入ガスとして用いないことが望ましい。なお、ＣＯ_２（二酸化炭素）は、化合物ガスとして安定しているので、封入ガスとして利用することが可能である。

〔インターコネクタ内部に封入するＡｒの圧力〕
ところで、上記のような構成を有するインターコネクタ７においては、インターコネクタ７内部に封入されたＡｒの圧力は、温度の上昇に伴って増加し、例えば温度が６５０［℃］まで上昇した場合には、インターコネクタ７の体積が圧力上昇によって増加しないと仮定すると、ボイルシャルルの法則Ｐ１・Ｖ１／Ｔ１＝Ｐ２・Ｖ２／Ｔ２（Ｔ１，Ｔ２，Ｐ１，Ｐ２，Ｖ１，Ｖ２はそれぞれ、封入温度，変化後の温度，封入圧力，変化後の圧力，封入体積，変化後の体積を示す）に従って、組み立て時に大気圧約０．１［ｍＰａ］で封入した内圧が約０．３４［ＭＰａ］まで増加する。

この時、空気バネとして機能するインターコネクタ７のバネ力は内部の圧力値にインターコネクタ７の平面積を乗じた値であることから、インターコネクタ７の平面積が１００［ｃｍ^２］であるとする場合には、インターコネクタ７のバネ力は３４００［Ｎ］となる。そして、燃料電池スタックの両端部が機械的に固定され、積層方向において燃料電池スタック全体が変形しないように構成されている場合には、インターコネクタ７のバネ力が集電体５平面に印加され、集電体５は燃料電池１に押し付けられる。

しかしながら、この時、インターコネクタ７のバネ力が強すぎることによって、燃料電池１の破損の原因になることもあるので、温度が上昇した際のインターコネクタ７のバネ力を調整するために、インターコネクタ７内部に封入するＡｒの圧力（封入圧）Ｐ１は、使用時の圧力Ｐ２を考慮して調整することが望ましい。また、このようにＡｒの封入圧Ｐ１を調整することにより、燃料電池スタックを組み立てる際に、インターコネクタ８を押しつぶして燃料電池１間に挿入する等の作業を行う必要が無くなるので、燃料電池スタックを容易に製造することができる。

具体的には、高温時の最適な圧力Ｐ２を設定し、設定した圧力Ｐ２の値を上記ボイルシャルルの法則から導かれる数式Ｐ１＝Ｐ２・（Ｖ２／Ｖ１）・（Ｔ１／Ｔ２）に代入することにより、Ａｒの封入圧Ｐ１を決定することが望ましい。なお、インターコネクタ７内部に封入するＡｒは、溶接用レーザー光の導入窓を有する圧力容器にＡｒを規定圧で満たした後、金属板１１，１２を内部に設置し、金属板１１，１２の周囲を合わせてレーザー溶接することにより、規定圧に調整することができる。

また、インターコネクタ７の内容積は、内部に収納した金属フェルト１３の圧縮厚さや、金属板１１，１２の波形成型高さにより、調整することができる。また、金属フェルト１３を使用しない場合には、金属板１１，１２間の内容積を確保できるように、プレス等の手法をにより周囲に段差を形成するとよい。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、燃料電池１と集電体５間に運転温度に応じて伸縮するインターコネクタ７が挿入され、このインターコネクタ７は、２枚の金属板１１，１２間にＡｒを封入し、金属板１１，１２の端部を気密封止することにより、形成されている。そして、このような構成によれば、燃料電池１の熱変形が生じる高温動作時においては、内圧の変化に伴い膨張することによりインターコネクタ７が空気バネとして機能するので、燃料電池１の全面に渡って燃料電池１と集電体５の電気的接続を確保することができる。

また、高価な超耐熱特殊鋼やセラミクス・グラファイト等の材料を使用せず、引っ張り強度のみを満足する材料によりインターコネクタ７を構成することができるので、インターコネクタ７の製造コストを削減することができる。また、金属板１１，１２間にはガスリークしにくいＡｒが封入されているので、インターコネクタ７の信頼性を長期間確保することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、インターコネクタ７を構成する金属板１１，１２の少なくとも一方は波形に成型されているので、燃料電池１の熱変形が生じる高温動作時においては、インターコネクタ７の伸び代を確保し、燃料電池１の熱変形に追従することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、Ａｒの封入圧は膨張時の内圧に基づいて調整されているので、燃料電池スタックを組み立てる際に、インターコネクタ７を押しつぶして燃料電池１間に挿入する等の作業を行う必要が無く、燃料電池スタックを容易に製造することができる。また、高温時にインターコネクタ７のバネ力が強すぎることにより、燃料電池１の破損の原因となることを防止できる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、金属板１１，１２間には金属フェルト１３が挿入され、この金属フェルト１３は金属板１１，１２に固定されているので、燃料電池１の熱変形が生じる高温動作時においてインターコネクタ７の厚さが変化する場合であっても、金属フェルト１３は金属板１１，１２に追随して動き、集電体５間の電気伝導を維持することができる。

また、この時、金属板１１，１２間にはＡｒが封入されているので、金属フェルト１３として、電気抵抗が低いが酸化等の環境耐性が低い銅細線や、高温の酸化雰囲気に弱いＡｇ材料を用いた場合であっても、電気伝導体は劣化することなく保護され、インターコネクタ７の信頼性を長期間確保することができる。また、燃料電池１の起電力をマトリクス状に伝導させることにより電流の均一性を向上させることができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、金属フェルト１３はロウ付け処理によって金属板１１，１２に固定されているので、インターコネクタ７の製造に要するコストや労力を削減すると共に、インターコネクタ７を低抵抗に構成することができる。

さらに、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、金属板１１，１２は波形に成型されていると同時に、一方の金属板の凸部と他方の金属板の凹部の位置が一致するように金属板１１，１２が配置されているので、インターコネクタ７の機能を維持した状態でインターコネクタ７の全高を抑制し、燃料電池スタックを小型に構成することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、インターコネクタ７は、燃料電池１と同形状に構成されていると共に、Ａｒは一つの気室内に封入されているので、内圧が均等に分散されることにより圧力が均一に印加され、燃料電池１の破損の原因となることなく、燃料電池１の全面に渡って燃料電池１と集電体５との間の電気的接続を確保することができる。

次に、図８を参照して、本発明の第２の実施形態となる燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成について説明する。

図８は、本発明の第２の実施形態となる燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成を示す部分断面図である。

上記第１の実施形態となる燃料電池スタックでは、集電体５や燃料電池１に印加する圧力を均一にするために、Ａｒが一つの気室を形成するようにインターコネクタ７を構成したが、本発明の第２の実施形態となる燃料電池スタックでは、インターコネクタ７は、図８に示すように、対向する金属板２１ａ，２１ｂ間に突起を形成する金属板２２を設け、金属板２２が形成する突起内部ＡにＡｒを封入することにより、Ａｒが封入された複数の気室により形成されている。そして、このようなインターコネクタ７の構成によれば、周囲ガスとＡｒとの間の熱交換を促進することができると共に、インターコネクタ７の製造工程を簡単にすることができる。

最後に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態となる燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成について説明する。

図９は、本発明の第３の実施形態となる燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成を示す部分断面図である。

上記実施形態では、燃料電池１と集電体５の電気的接続の確保に重点を置いたが、本発明の第３の実施形態となる燃料電池スタックでは、内部に不活性ガスが封入された金属板３１，３２により形成される空気バネを複数接合し、これら複数の空気バネを高強度の構造部材３３ａ，３３ｂにより挟持することによりインターコネクタ７を形成する。そして、このようなインターコネクタ７の構成によれば、熱変形が生じる高温環境下においてもインターコネクタ７のバネ定数が低下しないので、インターコネクタ７の空気バネとしての機能を確保することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池スタックの構成を示す部分断面図である。 図１に示す燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成を示す部分断面図である。 図１に示す燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成を示す平面断面図である。 図２に示すインターコネクタの応用例の構成を示す部分断面図である。 図２に示すインターコネクタの応用例の構成を示す部分断面図である。 図２に示すインターコネクタの応用例の構成を示す部分断面図である。 図２に示すインターコネクタの応用例の構成を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成を示す部分断面図である。 本発明の第３の実施形態となる燃料電池スタックにおけるインターコネクタの構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１：固体酸化物型燃料電池
２：電解質膜
３：空気極
４：燃料極
５：集電体
６：ガス交換器
７：インターコネクタ
１１，１２，２１ａ，２１ｂ，２２，３１，３２：金属板
１３：金属フェルト
１４：ロウ材料
１５：金属板
３３ａ，３３ｂ：構造部材

Claims (9)

1. 端部が互いに気密接合された２枚の金属板を備え、少なくとも一方の金属板は板面間に空隙が形成されるように成形され、当該空隙内には不活性ガスが封入され、前記金属板の少なくとも一方は波形に成型されていることを特徴とするインターコネクタ。
2. 前記金属板の少なくとも一方の端部が波形に成型されていることを特徴とする請求項１記載のインターコネクタ。
3. 前記不活性ガスは、アルゴン、ネオン、キセノンのうちのいずれか一つの気体、若しくは、これらの気体のうちの少なくとも２つの混合気体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインターコネクタ。
4. 前記空隙内に封入する前記不活性ガスの圧力は、膨張時の内圧に基づいて決定されることを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載のインターコネクタ。
5. 前記空隙内には柔軟性を有する金属片が挿入され、２枚の金属板面間は、当該金属片によって機械的、且つ、電気的に接合されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうち、いずれか１項に記載のインターコネクタ。
6. 前記金属片と前記金属板はロウ付け処理により接合されていることを特徴とする請求項５に記載のインターコネクタ。
7. 前記２枚の金属板は、一方の金属板の凹部が他方の金属板の凸部と一致するように、波形に成型されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうち、いずれか１項に記載のインターコネクタ。
8. 前記金属片と前記金属板とをロウ付けする位置は、２枚の金属板面間で同一の位置にならないように配置されていることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のインターコネクタ。
9. 請求項１から請求項８のうち、いずれか１項に記載のインターコネクタを有することを特徴とする燃料電池スタック。

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