JP2003297396A

JP2003297396A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003297396A
Application number: JP2002101236A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shigehisa; 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2003-10-17
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: JP3898552B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池セル間の集電特性を向上できる燃料電
池を提供する。【解決手段】複数の燃料電池セル３３を収納容器３１内
に配列して収納し、複数の燃料電池セル３３間に板状集
電部材４３を配置し、対向する燃料電池セル３３同士を
電気的に接続してなるとともに、板状集電部材４３が、
燃料電池セル３３側面に対向して設けられる帯状体４３
ａと、該帯状体４３ａの対向するそれぞれの長辺に形成
され、対向する燃料電池セル３３側に突出して当接する
複数の集電片４３ｂとからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関する
もので、特に複数の燃料電池セルの集電特性が良好な燃
料電池に関するものである。

【０００２】

【従来技術】次世代エネルギーとして、近年、複数の燃
料電池セルを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案
されている。

【０００３】従来の固体電解質型燃料電池は、複数の燃
料電池セルを収納容器内に収納し、燃料電池セル同士を
集電部材により電気的に直列又は並列に接続して構成さ
れており、発電は燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料
ガスを供給して６００〜１０００℃程度の高温で行われ
ていた。

【０００４】そして、燃料電池セル間の電気的な接続を
行う集電部材は、従来、繊維状の金属が集合した金属フ
ェルト状のものが用いられていた。このようなフェルト
状の集電部材を用いた燃料電池は、複数の燃料電池セル
を配列集合させ、例えば、一方の燃料電池セルのインタ
ーコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極との間
に、フェルト状の集電部材を詰め込み燃料電池セルを直
列に接続してセルスタックを形成し、このセルスタック
を収納容器内に収納して構成されていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た燃料電池では、フェルト状の集電部材が繊維状の金属
から構成されているため、一方の燃料電池セルのインタ
ーコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極とは点接
触となり、集電特性が未だ低いという問題があった。

【０００６】また、燃料電池セル間に集電部材を詰め込
んだとしても、振動や集電部材の弾性低下等の原因で燃
料電池セルとの接触が十分に行われなくなり、発電当初
は集電特性はある程度良好であったとしても経時的に低
下する可能性があった。

【０００７】さらに、燃料電池セル間に空気等の酸素含
有ガスが導入されて発電する場合には、繊維状金属の表
面から酸化し、集電特性が低下し、また金属フェルトの
弾性力が低下し、経時的に特定が低下するという問題も
あった。

【０００８】また、一方の燃料電池セルのインターコネ
クタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電部材
を詰め込む際に、集電部材がフェルト状であることに起
因して、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外
側電極同士が導通してしまうという危険性もあった。

【０００９】本発明は、燃料電池セル間の集電特性を向
上できる燃料電池を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の燃料電池は、複
数の燃料電池セルを収納容器内に配列して収納し、前記
複数の燃料電池セル間に板状集電部材を配置し、対向す
る前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるととも
に、前記板状集電部材が、前記燃料電池セル側面に対向
して設けられる帯状体と、該帯状体の対向するそれぞれ
の長辺に形成され、前記対向する燃料電池セル側に突出
して当接する複数の集電片とからなることを特徴とす
る。

【００１１】本発明の燃料電池では、板状集電部材のバ
ネ性を有する集電片により燃料電池セル間を押し広げる
ようにして機械的に接続しているため、燃料電池セルと
は面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よ
りも燃料電池セルに当接する面積が大きくなり、集電特
性を向上できる。

【００１２】また、集電片は板状であるため弾性力も大
きく、振動等が生じたとしても燃料電池セルとの十分な
接触を長期間確保できる。さらに、集電片は板状である
ため、収納容器内が高温となった場合でも、従来のフェ
ルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池
セルとの十分な接触を長期間確保できる。

【００１３】さらに、集電部材が板状であるため、例え
ば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃
料電池セルの外側電極との間に集電部材を詰め込む際に
も、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外側電
極同士の導通を確実に防止できる。

【００１４】また、本発明の燃料電池では、板状集電部
材を、帯状母体の対向する長辺に複数のスリットを略平
行に形成し、該スリット間の集電片を対向する燃料電池
セル側に交互に突出させ、前記対向する燃料電池セルの
外面にそれぞれ当接せしめて構成することを特徴とす
る。このような燃料電池では、板状集電部材の集電片が
両側に交互に突出しており、集電片間に形成された隙間
へガス供給でき、発電特性を向上できる。

【００１５】また、本発明の燃料電池では、燃料電池セ
ルは扁平状であり、対向する燃料電池セル外面は略平坦
であることを特徴とする。このように、対向する燃料電
池セル外面が略平坦である場合には、板状集電部材の集
電片が燃料電池セル外面に確実に当接するため、集電特
性を向上できる。

【００１６】本発明の燃料電池では、燃料電池セルは、
軸長方向にガス通過孔が形成された内側電極の表面に、
固体電解質、外側電極を順次形成し、前記固体電解質及
び前記外側電極が形成されていない内側電極の表面にイ
ンターコネクタを形成してなり、一方の燃料電池セルの
インターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極に、
板状集電部材の集電片が当接していることを特徴とす
る。このように燃料電池セルを電気的に直列に接続する
場合に好適に用いられる。

【００１７】また、本発明の燃料電池では、燃料電池セ
ルは、酸素含有ガスに曝される外側電極を有しており、
板状集電部材が、導電性を有する金属又は合金の表面を
耐酸化性物質で被覆して構成されていることが望まし
い。板状集電部材が耐酸化性を有するため、板状集電部
材が酸素含有ガスに曝されたとしても良好な電気伝導性
を有することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の燃料電池の一形
態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器
を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃
料電池セル３３と、これらの燃料電池セル３３間に挿入
される酸素含有ガス供給管３９と、燃料電池セル３３の
上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。

【００１９】収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体
３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３
１ｂとから構成されている。

【００２０】収納容器３１内の燃料電池セル３３は、図
２に示すように、３列に整列しており、隣設した２列の
最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で
接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セ
ル３３が電気的に直列に接続している。尚、図１では燃
料電池セルを４列に整列した状態を記載した。

【００２１】具体的に説明すると、燃料電池セル３３は
断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内
部には複数の燃料ガス通過孔３４が形成されている。こ
の燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て
楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極（内
側電極）３３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、
多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極（外側
電極）３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側
の燃料側電極３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを
形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体と
なっている。

【００２２】即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、
幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連
結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦
部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの
一対の平坦部は、燃料側電極３３ａの平坦部にインター
コネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３
３ｃを形成して構成されている。

【００２３】一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池
セル３３との間には板状集電部材４３が介在され、一方
の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａは、該燃料側電
極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、集電部
材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３
３ｃに電気的に接続されている。尚、図２では、集電部
材４３を簡略化して記載した。

【００２４】板状集電部材４３は、図３に示すように、
燃料電池セル３３の平坦部（側面）に対向して設けられ
る帯状体４３ａと、この帯状体４３ｂの対向するそれぞ
れの長辺に形成され、対向する燃料電池セル３３側に突
出して当接する複数の集電片４３ｂとから構成されてい
る。対向する燃料電池セル３３間には、帯状体４３ａの
長さ方向が、燃料電池セル３３の軸長方向（長さ方向）
となるように、１本の板状集電部材４３が介装されてい
る。尚、対向する燃料電池セル３３間に複数の板状集電
部材４３を介装しても良い。

【００２５】このような板状集電部材４３は、帯状母体
の対向する長辺に複数のスリットを略平行に形成し、該
スリット間の集電片４３ｂを対向する燃料電池セル３３
側に交互に突出させて形成され、複数の集電片４３ｂは
対向する燃料電池セル３３の外面にそれぞれ交互に当接
している。

【００２６】即ち、集電片４３ｂは、一方の燃料電池セ
ル３３の平坦部であるインターコネクタ３３ｄと、他方
の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ間に配置され、
燃料電池セル３３同士が直列に接続されている。平坦部
に集電片４３ｂが当接しているため確実に当接し、電気
的接続を確実に行うことができる。また、複数の集電片
４３ｂはＡｇペーストを介して燃料電池セル３３に接合
している。このＡｇペーストは発電時に焼き付けられ、
集電片４３ｂと燃料電池セル３３のインターコネクタ３
３ｄ、酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、集電片
４３ｂと燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとる
ことができる。集電片４３ｂの幅は、集電特性を向上
し、集電片４３ｂ間に十分に酸素含有ガスを供給すると
いう点から、２ｍｍ以下が望ましい。

【００２７】これらの板状集電部材４３は、導電性を有
するＣｒ、Ｆｅを主成分とするフェライト系ステンレス
の表面をＡｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成され
ている。尚、板状集電部材４３は導電性を有する金属又
は合金を主成分とするものの表面を耐酸化性物質で被覆
したものであれば、上記したものに限定されるものでは
ない。燃料電池セル３３のセル方向への動きの自由度が
得られるという理由から、帯状体４３ｂに長さ方向にス
リットを形成することが望ましい。

【００２８】燃料電池セル３３の下方には、図１に示し
たように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するため
の燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク
４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供
給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。

【００２９】燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３
３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着してお
り、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４
５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃
料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付
治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び
燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂ
とから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向
きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に
回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び
燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成され
ている。

【００３０】セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３
ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３の燃料
ガス通過孔３４に連通するように貫通孔が形成されてい
る。

【００３１】また、図１に示したように、酸素含有ガス
供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置
している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガス
は、燃料電池セル３３間を通って燃料電池セル３３の上
方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、
燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４を通って燃料電
池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル３３の上
端近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃
焼するように構成されている。

【００３２】熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼
室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた
酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。

【００３３】熱交換器４１ａは、図４に示すように、平
板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構
造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する
通路を形成する波板６３ａは、図４（ｂ）に示すように
形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波
板６３ｂは、図４（ｃ）に示すように形成されている。

【００３４】燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したよう
に熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４
１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に
破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入
され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収
容室４１ｂ内に導入される。

【００３５】酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５に示す
ように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側
の端面、即ち燃料電池セル３３側端面に設けられてお
り、波板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦
収容されるようになっている。

【００３６】酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸
素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。

【００３７】また、図１に示したように、酸素含有ガス
収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含
有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼ガスを熱交換器４１
ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃
焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの
波板６３ｂの通路へ導出される。

【００３８】以上のように構成された燃料電池では、外
部からの酸素含有ガス（例えば空気）を酸素含有ガス管
７３を介して熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収
容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して
燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス
（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池
セル３３の燃料ガス通過孔３４内に供給し発電させる。

【００３９】発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは
燃料ガス通過孔３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、
発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃料電池
セル３３間を流れ、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガ
スを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃
焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに
導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。

【００４０】そして、本発明の燃料電池では、板状集電
部材４３のバネ性を有する集電片４３ａが燃料電池セル
３３間を押し広げるようにして対向する燃料電池セル３
３間を機械的に接続しているため、燃料電池セル３３と
は面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よ
りも燃料電池セル３３に当接する面積が大きくなり、集
電特性を向上できる。また、集電片４３ｂは板状である
ため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池
セル３３との十分な接触を長期間確保できる。

【００４１】また、一方の燃料電池セル３３の側面に当
接した集電片４３ｂ間には隙間が形成されているので、
酸素含有ガスが隙間、酸素側電極３３ｃを介して、固体
電解質３３ｂへ供給され、発電が良好となる。

【００４２】さらに、集電片４３ｂは板状であるため、
収納容器３１内が高温となった場合でも、従来のフェル
ト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セ
ル３３との十分な接触を長期間確保できる。さらに、集
電部材４３が板状であるため、一方の燃料電池セル３３
のインターコネクタ３３ｄと他方の燃料電池セル３３の
酸素側電極３３ｃとの間に板状集電部材４３を介装する
際にも、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル
３３の酸素側電極３３ｃ同士の導通を確実に防止でき
る。

【００４３】また、一本の板状集電部材４３により対向
する燃料電池セル３３間を電気的に接続できるため、実
装を容易に行うことができ、また帯状体４３ａの長辺両
側に集電片４３ｂが形成されているため、板状集電部材
４３を安定した状態で燃料電池セル３３間に配置できる
とともに、板状集電部材４３の弾性力を向上でき、燃料
電池セル３３の接続固定を確実に行うことができる。

【００４４】また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガ
スと酸素含有ガスが反応して燃焼し、この燃焼ガス及び
外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱
交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換
させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、ま
た、酸素含有ガス供給管３９が燃焼ガス中を挿通するこ
とにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の
酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱
した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加
熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。

【００４５】また、燃料電池セル３３が燃焼ガスが発生
する室に配置されているため、この燃焼ガスにより燃料
電池セル３３を直接加熱することができ、起動時間を短
縮できる。

【００４６】さらに、燃料電池セル３３の上部に酸素含
有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成さ
れているため、高温の燃焼ガスを配管等を用いることな
く熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含
有ガスの予熱効率を大きくできる。

【００４７】また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素
含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を
行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要
がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用でき
る。

【００４８】さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収
容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガ
ス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介
して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガ
スを発電室４９内に確実に供給できる。

【００４９】尚、本発明は上記形態に限定されるもので
はなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可
能である。例えば、上記形態では、図２に示したような
扁平状で複数の燃料ガス通過孔３４を有する燃料電池セ
ル３３を用いて説明したが、燃料電池セルは燃料ガス通
路が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限
定されるものではない。

【００５０】また、熱交換器４１ａとしてプレートフィ
ン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものでは
なく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論で
ある。

【００５１】さらに、上記例では、燃料電池セル３３を
直列に接続した例について説明したが、並列接続しても
良いことは勿論である。また、燃料側電極３３ａを内側
電極としたが、酸素側電極３３ｃを内側電極としても良
い。

【００５２】

【発明の効果】本発明の燃料電池では、板状集電部材の
バネ性を有する集電片により燃料電池セル間を押し広げ
るように機械的に接続しているため、燃料電池セルとは
面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材より
も燃料電池セルに当接する面積が大きくなり、集電特性
を向上できる。また、集電片は板状であるため弾性力も
大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セルとの十分
な接触を長期間確保できる。

【００５３】さらに、集電片は板状であるため、収納容
器内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電
部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セルとの十分
な接触を長期間確保できる。さらにまた、集電部材が板
状であるため、例えば、一方の燃料電池セルのインター
コネクタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電
部材を詰め込む際にも、一方の燃料電池セルと他方の燃
料電池セルの外側電極同士の導通を確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。

【図２】図１の複数の燃料電池セルの接続状態を示す横
断面図である。

【図３】板状集電部材を用いて燃料電池セルを接続した
状態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、
（ｃ）は板状集電部材を示す斜視図である。

【図４】図１の熱交換器の概念を説明するための図であ
り、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガス
の通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃
焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図であ
る。

【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図であ
る。

【符号の説明】

３１・・・収納容器３３・・・燃料電池セル３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）３３ｂ・・・固体電解質３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）３３ｄ・・・インターコネクタ３４・・・燃料ガス通過孔４３・・・板状集電部材４３ａ・・・帯状体４３ｂ・・・集電片

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料電池セルを収納容器内に配列し
て収納し、前記複数の燃料電池セル間に板状集電部材を
配置し、対向する前記燃料電池セル同士を電気的に接続
してなるとともに、前記板状集電部材が、前記燃料電池
セル側面に対向して設けられる帯状体と、該帯状体の対
向するそれぞれの長辺に形成され、前記対向する燃料電
池セル側に突出して当接する複数の集電片とからなるこ
とを特徴とする燃料電池。
【請求項２】板状集電部材は、帯状母体の対向する長辺
に複数のスリットを略平行に形成し、該スリット間の集
電片を対向する燃料電池セル側に交互に突出させ、前記
対向する燃料電池セルの外面にそれぞれ当接せしめてな
ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】燃料電池セルは扁平状であり、対向する燃
料電池セル外面は略平坦であることを特徴とする請求項
１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】燃料電池セルは、軸長方向にガス通過孔が
形成された内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を
順次形成し、前記固体電解質及び前記外側電極が形成さ
れていない内側電極の表面にインターコネクタを形成し
てなり、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方
の燃料電池セルの外側電極に、板状集電部材の集電片が
当接していることを特徴とする請求項１乃至３のうちい
ずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】燃料電池セルは、酸素含有ガスに曝される
外側電極を有しており、板状集電部材が、導電性を有す
る金属又は合金の表面を耐酸化性物質で被覆して構成さ
れていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれ
かに記載の燃料電池。