JP5024724B2

JP5024724B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5024724B2
Application number: JP2006180877A
Authority: JP
Inventors: 幸作藤永
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2006-06-30
Filing date: 2006-06-30
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-06-30
Also published as: JP2008010335A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に係り、特に複数の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に接続したスタックの複数を電気的に接続するのに好適な固体酸化物形燃料電池のスタックに関する発明である。

固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高く（７００〜１０００℃）、効率の良い燃料電池として期待されている。固体酸化物形燃料電池は、通常、その複数（以下、一つの燃料電池単位を「燃料電池セル」という場合がある）を導電性部材により電気的に直列および／または並列で接続して束ねたスタックと呼ばれる構造する。さらに、複数のスタックを導電性部材により電気的に直列および／または並列に接続して、モジュールと呼ばれる構造にして用いる。

従来のスタックは、燃料電池セルと導電性部材（ニッケルフェルト）とを集合化させ、端部に集電板（ニッケル板）を配置したスタックを、予め焼成して形成している。また従来のモジュールは、隣接するスタックの集電板同士を直接溶接接続するか、あるいは隣接するスタックの集電板に金属プレートを介して溶接接続して形成される。（例えば、特許文献１参照）

しかしながら、発電によって集電板同士や集電板と金属プレートが焼き付いてしまうため、故障やメンテナンスなどによりモジュール内の一部のスタックを取り外す場合に、スタック内部（燃料電池セルと導電性部材の接続部、導電性部材と集電板の接続部など）へ応力が働いてしまい、スタック内部に接続不良を発生させてしまうことがあり、燃料電池のメンテナンスに大きな課題があった。

さらに、スタックを取扱う際（スタックの運搬やモジュールの組立てなど）に外的な力が働くと、従来のスタックは燃料電池セルと導電性部材の接続部が構造的に弱いため、一度焼結された後であっても、一部または全体に剥離、変形などの接続不良を生じてしまうという課題もあった。
特表２００２−５０２１００号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池スタックのメンテナンス性を向上し、モジュールの工業的な量産を行うことができる燃料電池の提供をすることである。

上記目的を達成するために本発明は、筒状の燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルを、電気的な直列および／または並列に接続する導電性部材と、を備えた燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体に押圧をかける手段と、押圧をかけた状態で固定する手段を備えた保持部材を有する燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックから電気を取り出すための集電板が、前記燃料電池セル集合体と前記保持部材との間に配置され、前記集電板と前記保持部材とが連結手段により連結され、前記集電板が、前記保持部材の外周側に連結固定されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記集電板が、可とう性のある導電性の材料であることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、複数の前記燃料電池スタック同士が、接続板を介して電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、前記集電板がニッケルを主成分とする金属からなることを特徴とする。

本発明によれば、モジュールの一部からスタックを取替え・取り出す際に、スタック内部に働く応力を緩和できるので、燃料電池のメンテナンス性を向上でき、モジュールの工業的な量産が可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。図１は本発明によるスタック、モジュールを構成する固体酸化物形燃料電池セルの基本構造の断面図である。この燃料電池セル１は、電解質２、空気極３、燃料極４、および空気極３に接続されたインターコネクタ５から構成される。この構成の燃料電池セルにあっては、図中の内部Ａの方向に酸素を含む空気が、外部Ｂの方向に水素、一酸化炭素を含む燃料ガスが供給される。なお、燃料電池セルの空気極と燃料極は図１に示される場合と逆に構成することも可能である。

図２は本発明のスタックの一実施形態を示す基本構造の概略図、図３および図４はそれぞれ図２のＣ−Ｃ断面図とＤ−Ｄ断面図である。図２〜４に示すように、複数の円筒形状の燃料電池セル１が２並列４直列で積み重ねられ、隣接するセルの燃料極とインターコネクタ、あるいは燃料極と燃料極とが、導電性部材７で電気的に直列あるいは並列に接続されている。さらに、直列方向の両端部に集電板８が配置され、周囲を囲むように保持部材１０が形成されている。

集電板８と保持部材１０は連結金具１３を含む集電板-保持部材連結部９により連結されている。集電板と保持部材との連結は連結金具によるネジ止めの他、溶接、リベットによる圧着など適宜な方法を用いることができる。また、集電板と保持部材の連結部は、集電板と導電性部材が接続している部分より外側に設けることが好ましい。このような構成にすることで、故障やメンテナンスなどの理由でモジュール内のスタックの一部を取替え・取り外しする際に、保持部材と集電板の連結部が固定点となり、燃料電池セルと導電性部材との接続部あるいは導電性部材と集電板との接続部へ働く応力を抑制でき、スタック内部に接続不良などの欠陥を与えることなく、隣り合うスタック同士あるいはスタックと電気の取出しをする集電ロッドなどの集電部材とを容易に分離することができる。

保持部材１０は、上面保持部材１０ａ、下面保持部材１０ｂ、側面保持部材１０ｃおよび絶縁接続部１１、接続部１２により構成されている。上面保持部材１０ａは燃料電池セル１の空気側と電気的に接続している。一方、下面保持部材１０ｂは燃料電池セル１の燃料極側と電気的に接続している。図３においては、上面保持部材１０ａと側面保持部材１０ｂが導電性の接続部１２により接続され、下面保持部材１０ｂと側面保持部材１０ｃが絶縁接続部１２によって接続されているので、上面保持部材１０ａと側面保持部材１０ｂは空気極側と電気的に導通しており、下面保持部材１０ｂは燃料極側と電気的に導通しており、絶縁接続部１２により燃料極側と空気極側とは絶縁されている。しかしながら、保持部材同士の接続は本実施例に限定されるものではなく、少なくとも上面保持部材あるいは下面保持部材の一方が側面保持部材と絶縁接続されていれば良い。例えば上面保持部材を側面保持部材と絶縁接続部によって接続し、下面保持部材と側面保持部材を導電接続部によって接続することもできる。また、上面保持部材および下面保持部材を絶縁接続部によって接続することもできる。スタック６は上面保持部材１０ａおよび下面保持部材１０ｂによってスタック形状を保持する程度に押圧されており、上面保持部材１０ａおよび下面保持部材１０ｂが接続部１２と絶縁接続部１１により側面保持部材１０ｃに連結されることで押圧をかけた状態で固定されている。スタックの保持部材同士の接続固定はネジ、熔接、リベットによる圧着など適宜の方法を用いることができる。このような構成にすることで、モジュールの組立て時などの取扱いにおいても、スタックが保持部材で押圧して拘束されているため、スタック内部へ働く応力が緩和され、燃料電池セルと導電性部材の接続部の剥離、変形などの接続不良の発生が抑制できる。このとき、保持部材は、剛性を示して構造を安定に保てる、耐熱ステンレス鋼、インコネル等の耐熱金属、セラミックなどで構成できるが、燃料電池セルと導電性部材との接続をより良好に保って割れなどの恐れがないことから、燃料電池セルと線膨張係数の近いフェライトステンレス鋼で形成することが好ましい。また、アルミナを含有したフェライトステンレス鋼を用いることで、保持部材同士が焼き付くことが防止されるので、より好ましい。

図５及び図６には、本発明の集電板の一実施形態である。しかしながら、これらは一例であり限定されるものでない。集電板には、保持枠の外側に集電板を突出させるための集電板端子部８ａが設けられている。また、熱による集電板の変形を抑制するためのスリット部１４が設けられている。スリット部１４は、図５に示すような孔状にしても良いし、図６に示すような切断状にしても良い。集電板には予め、保持部材と集電板との連結金具を貫通させるための集電板−保持部材連結金具孔１５や、隣接するスタック同士を接続する際に連結金具を貫通させるためのスタック連結金具孔１６を設けても良い。集電板には、集電ロスによる燃料電池の性能低下を抑制する観点から、比電気抵抗が低いニッケル系の材料を用いることが好ましい。（ニッケルの比電気抵抗が７〜９×１０^−８Ωｍ程度であるのに対し、例えばフェライトステンレス鋼の比電気抵抗は５０〜１６０×１０^−８Ωｍ程度である。）

図７、図８は本発明におけるスタック同士の接続方法の一実施形態である。しかしながら、これらは一例であり限定されるものでない。図７では、隣接するスタックを直列方向に並べた状態で接続しており、一方のスタックの上面保持部材１０ａと、他方のスタックの下面保持部材１０ｂが対向した状態で配置されている。集電板８は連結金具１３により上面保持部材１０ａ、下面保持部材１０ｂに固定され、それぞれの保持部材から突出した集電板端子部８ａ同士が、少なくとも片側端部で溶接部１７により接続されている。このような構成により、モジュールの組立てを容易にできる。図８では、隣接するスタックを並列方向に並べた状態で接続しており、一方の上面保持部材１０ａと、他方のスタックの下面保持部材１０ｂが水平に並んだ状態で配置されている。それぞれの保持部材から突出した集電板端子部８ａ同士が、溶接部１７により接続されている。このような構成により、モジュールの組立てを容易にできる。

本発明の集電板は可とう性のある材料であることが好ましい。集電板を可とう性の材料にすることで、スタック同士を連結する際、集電板の接続面の形状を容易に合わせて取り付けることができる。また、発電後にメンテナンスなどで一部のスタックを取り出す際に、焼き付いた集電板同士を端部から徐々に剥がしていくことでスタックへ働く応力を逃がすことができ、スタックへ過度な応力が働くことを抑制できるため、スタック同士を容易に分離することができる。

図９は本発明のスタックの他の実施形態を示す基本構造の概略図である。本実施形態では、側面保持部材をスタックの開口端側と封止端側に持ってきたこと以外は図２のスタックと同様の構成となっている。側面保持部材をスタックの開口端側と封止端側に持ってくることで、側面保持部材同士の接触を気にすることなくスタック同士を接続できるので、モジュールをよりコンパクトに作製することができる。

図１０は本発明のスタックの他の実施形態を示す基本構造の概略図であり、図１１は図１０のＥ−Ｅ断面図である。図１０に示すスタックは、保持部材から突出した集電板８を上面保持部材１０ａ、下面保持部材１０ｂの外周面側にそれぞれ折り返して連結金具１３で連結した以外は図２と同じ構成である。このような構成にすることで、保持部材の外周面に集電板の一部（集電端子）を一体で形成できるため、接続板を介して他のスタックと容易に接続できる。また、集電板端子部を折り返して保持部材に固定しているので、スタックを角柱の単純な構造に形成でき、製造や輸送などにおける取扱いを容易にできる。

図１２は図１０のスタックを上面保持部材側から見た平面図である。上面保持部材１０ａと側面保持部材１０ｃとの接続部１２の間に、集電板８の一部である集電板端子部８ａが上面保持部材１０ａの外周面に折り返して形成され、連結金具１３によって集電板８と上面保持部材１０ａが連結されている。また、隣り合うスタック同士、あるいはスタックと電気の取出しをする集電ロッドとを連結するための接続板を取り付けるためにスタック連結金具孔１８が形成されている。このような構成にすることより、モジュールの組立てを容易にできる。

図１３、図１４は本発明におけるスタック同士の接続方法の他の実施形態である。しかしながら、これらは一例であり限定されるものでない。図１３では、隣接するスタックを直列方向に並べた状態で接続しており、一方のスタックの上面保持部材１０ａと、他方のスタックの下面保持部材１０ｂが対向した状態で配置されている。集電板８は集電板端子部８ａが折り返されて保持部材の外周面に接した状態で連結金具１３により上面保持部材１０ａ、下面保持部材１０ｂに固定されている。隣接するスタックの間にスタック接続板１９を挟み込み、上面保持部材１０ａとスタック接続板１９と下面保持部材１０ｂとをスタック固定金具２０で連結して固定している。また、スタック接続板１９は端部に一部をはみ出させた露出部２１を形成している。図１４では、隣接するスタックを並列方向に並べた状態で接続しており、一方の上面保持部材１０ａと、他方のスタックの下面保持部材１０ｂが水平に並んだ状態で配置されている。それぞれの保持部材の片側端部でループした集電板８の端子にスタック接続板１９を配置し、接続部の接触面積を安定に保つスタック固定板２２と、上面保持部材１０ａおよび下面保持部材１０ｂと、をスタック固定金具２０で連結して固定している。また、スタック接続板１９は端部に一部をはみ出させた露出部２１を形成している。このような構成にすることで、発電後に焼き付いた集電板とスタック接続板との接触部を外してスタックを分離する際、スタック接続板の露出部から徐々に剥がして保持部材へ働く応力を逃がすことができ、保持部材へ過度な応力を与えにくくできるため、他のスタックに影響せずに取り出したいスタックを容易に取り外すことができる。したがって、モジュールの組立性とメンテンナンス性をより向上させることができる。

本発明の集電板およびスタック接続板は、ニッケルで構成されることが好ましい。その結果、７００〜１０００℃の水蒸気を含む還元雰囲気の燃料電池の発電環境において、集電板およびスタック接続板の劣化を防ぎ、燃料電池の集電構造を安定に保つことができる。

集電板およびスタック接続板の肉厚は、燃料電池の組立てや電気特性を考慮して適宜決定されて良いが、０．１〜１．０ｍｍの厚さで構成されることが好ましく、より好ましくは０．２〜０．５ｍｍである。前記範囲とすることで、基材の可とう性を得やすく、燃料電池の組立てを容易に行うことができる。また、７００〜１０００℃の水蒸気を含む還元雰囲気の燃料電池の発電環境においても、集電板およびスタック接続板の電気導電性を良好に維持でき、燃料電池の集電構造を安定に保つことができる。

なお、前述の実施形態にかかわらず、本発明の燃料電池は、導電性部材に、銀、白金、ロジウム、インジウム、ルテニウムなどからなる酸化雰囲気において導電性を示す材料を用いることにより、燃料ガスが燃料電池セルの内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セルの外側に流れるように構成することもできる。

本発明の固体酸化物形燃料電池セルの基本構造を示す図である。本発明のスタックの一実施形態を示す基本構造の概略図である。図２のＣ−Ｃ断面を示す図である。図２のＤ−Ｄ断面を示す図である。本発明の集電板の一実施形態を示す平面図である。本発明の集電板の他の実施形態を示す平面図である。本発明のスタック同士を接続する方法の一実施形態を示す図である。本発明のスタック同士を接続する方法の他の実施形態を示す図である。本発明のスタックの他の実施形態を示す基本構造の概略図である。本発明のスタックの他の実施形態を示す基本構造の概略図である。図１０のＥ−Ｅ断面を示す図である。図１０のスタックを上面保持部材側から見た平面図である。本発明のスタック同士を接続する方法の他の実施形態を示す図である。本発明のスタック同士を接続する方法の他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池セル
２…電解質
３…空気極
４…燃料極
５…インターコネクタ
６…燃料電池スタック
７…導電性部材
８…集電板
８ａ…集電板端子部
９…集電板-保持部材連結部
１０…保持部材
１０ａ…上面保持部材
１０ｂ…下面保持部材
１０ｃ…側面保持部材
１１…絶縁接続部
１２…接続部
１３…連結金具
１４…集電板スリット部
１５…集電板-保持部材連結金具孔
１６、１８…スタック連結金具孔
１７…熔接部
１９…スタック接続板
２０…スタック固定金具
２１…露出部
２２…スタック固定板

Claims

筒状の燃料電池セルと、
複数の前記燃料電池セルを、電気的な直列および／または並列に接続する導電性部材と、
を備えた燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体に押圧をかける手段と、
押圧をかけた状態で固定する手段を備えた保持部材を有する燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックから電気を取り出すための集電板が、前記燃料電池セル集合体と前記保持部材との間に配置され、
前記集電板と前記保持部材とが連結手段により連結され、前記集電板が、前記保持部材の外周側に連結固定されていることを特徴とする燃料電池。
前記集電板が、可とう性のある導電性の材料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
複数の前記燃料電池スタック同士が、接続板を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記集電板がニッケルを主成分とする金属からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。