JP2005019239A

JP2005019239A - セルスタック及び燃料電池

Info

Publication number: JP2005019239A
Application number: JP2003183198A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimazu; 健児島津
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP4256213B2

Abstract

【課題】燃料電池セル間の集電特性、信頼性を向上できるセルスタック及び燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池セル５間をガスが流通するセルスタック７であって、前記燃料電池セル５間に、多数のスリット３０が開口した導電性板３２を折曲してなる集電部材１４を配置し、対向する前記燃料電池セル５同士を電気的に接続してなることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルスタック及び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セルスタック及び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約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る。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（特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−０５８０８８号公報
【０００６】
【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は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。
【０００７】
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、集電特性が経時的に低下する可能性があった。
【０００８】
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が進行し、これにより集電特性が低下し、また金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に集電特性が低下するという問題もあった。
【０００９】
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。
【００１０】
本発明は、燃料電池セル間の集電特性を向上できるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセルスタックは、燃料電池セル間をガスが流通するセルスタックであって、前記燃料電池セル間に、多数のスリットが開口した導電性板を折曲してなる集電部材を配置し、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ことを特徴とする。
【００１２】
このような多数のスリットが開口した導電性板を折曲してなる集電部材を用いることで、集電部材に弾性と、導電性を付与できるとともに、開口したスリットにより集電部材にガス流通性を付与することができる。また、このような集電部材では、導電性板の形状やスリットの配置を変化させることで、適宜、弾性や、ガスの流通性、耐熱性、耐ガス腐食性を変化させることができるため、多様な種類の燃料電池に適用することが可能となる。
【００１３】
また、本発明のセルスタックは、導電性板に開口したスリットが菱形であり、導電性板が平面方向に変形可能であることを特徴とする。このように、導電性板に菱形のスリットを開口することで、導電性板は、例えば、金網のような形状となり、平面方向の変形も容易に行うことができる。そのため、組み立て、発電時の部材の振動や変形により発生する応力を、集電部材が変形することで、容易に緩和することができる。
【００１４】
また、本発明のセルスタックは、導電性板が、エキスパンドメタルであることを特徴とする。エキスパンドメタルを用いることで、前述した形状の導電性板を容易に作製、入手することができる。
【００１５】
また、エキスパンドメタルを基に作製した本発明の燃料電池に用いる集電部材では、導電性板の表面に凹凸が形成されるため、燃料電池セルと集電部材との間に空間ができ、燃料電池セルに酸素含有ガスあるいは燃料ガスを良好に供給することができる。
【００１６】
さらに、本発明のセルスタックでは、燃料電池セルは、軸長方向にガス流路が形成された支持体の表面に、内側電極、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支持体にインターコネクタを設けてなり、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、集電部材が当接していることを特徴とする。本発明に用いられる集電部材は、高信頼性を有するため、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、特に好適に用いられる。
【００１７】
また、本発明のセルスタックでは、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、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。集電部材の比表面積がフェルト状集電体に比べ、小さいことから酸素含有ガスに曝されたとしても、酸化する速度は遙かに遅いため、長期間良好な電気伝導性を維持することができる。
【００１８】
さらに、本発明のセルスタックでは、集電部材の燃料電池セル外面との当接部は、導電性ペーストにより対向する燃料電池セルの外面に接合されていることを特徴とする。これにより、集電部材と燃料電池セル間の電気的接続を確実に行うことができる。例えば、集電部材の両端部に凹凸が形成されている場合には、凸部が導電性ペーストにより燃料電池セルの外面に接合されることになる。
【００１９】
また、本発明のセルスタックでは、燃料電池セルは扁平状であり、対向する燃料電池セルの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の外面が略平坦である場合には、集電部材が燃料電池セル外面の平坦部に確実に当接するため、集電特性を向上できる。
【００２０】
本発明の燃料電池は、収納容器内に、上記したセルスタックを収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタックが良好な集電特性を有するため、優れた発電特性を発揮できる。
【００２１】
【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１は断熱構造を有する収納容器を示している。収納容器１は耐熱性金属からなる枠体（図示せず）と、この枠体の内面に設けられた断熱材（図示せず）とから構成されている。
【００２２】
この収納容器１の内部には、燃料改質器３及び補助熱源（加熱装置図示せず）と、複数の燃料電池セル５が集合した燃料電池セルスタック７が複数収納され、燃料電池セルスタック７を構成する燃料電池セル５の下端部は燃料電池セル５の支持体を兼ねた燃料ガスタンク８の上蓋１０に支持固定されている。
【００２３】
本発明のセルスタック７は、例えば、図２に示すように、内部に燃料ガス通路１１が形成された複数の燃料電池セル５を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル５の電極同士が導電部材１２で接続され、これにより２列に整列した燃料電池セルスタック７が電気的に直列に接続している。また、燃料電池セル５同士は導電性の集電部材１４で接続されている。
【００２４】
燃料電池セル５は、例えば、断面が扁平状で、全体的に見て、板状、あるいは楕円柱状であり、その内部には軸長方向に複数の燃料ガス通路１１が形成されている。この燃料電池セル５は燃料ガス通路１１方向に長い形状であり、軸長方向の長さは、軸長方向と直交する幅方向長さよりも長く形成されている。
【００２５】
この燃料電池セル５は、断面が扁平状で、全体的に見て板状、あるいは楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする支持体５ａの外面に、多孔質な金属を主成分とする燃料側電極５ｂ、緻密質な固体電解質５ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極５ｄを順次積層し、酸素側電極５ｄと反対側の燃料側電極５ｂの外面にインターコネクタ５ｅを形成して構成されている。
【００２６】
一方の燃料電池セル５と他方の燃料電池セル５との間には、集電部材１４を介在させ、一方の燃料電池セル５の燃料側電極５ｂを、該燃料側電極５ｂに接続されたインターコネクタ５ｅ、集電部材１４を介して他方の燃料電池セル５の酸素側電極５ｄに電気的に接続して、燃料電池セルスタック７が構成されている。
【００２７】
燃料電池セルスタック７において燃料側電極５ｂ、固体電解質５ｃ、酸素側電極５ｄが重畳した部分が発電する部分である。
【００２８】
燃料側電極５ｂ、固体電解質５ｃ、酸素側電極５ｄが重畳した部分は、図１に示したように発電室１６の中央部に存在し、燃料電池セル５の両端部には、酸素側電極５ｄが形成されておらず、燃料電池セル５の両端部は発電に寄与していない。この酸素側電極５ｄが形成されていない燃料電池セル５の下端部が燃料ガスタンク８の上蓋１０に支持されている。また、緻密な固体電解質５ｃ、インターコネクタ５ｅにより、発電室１６内における固体電解質５ｃの内外のガス混合を防止している。
【００２９】
このような燃料電池において、発電を行うためには、燃料電池セル５の外側に、酸素含有ガスを供給する必要があり、そのため、収納容器１には酸素含有ガス配管１８が接続されている。また、燃料電池セル５の内側には水素含有ガスを供給する必要があり、そのため、収納容器１には、改質反応に必要となるガスなどを供給するガス導入配管２８が接続されている。ガス導入配管２８から導入される被改質ガスは、燃料改質器３に導入され、水素ガスを含有するガスへと改質され、燃料改質器３と複数の燃料ガスタンク８を連結する改質ガス供給管２２、ガスタンク室２４を経由して、燃料電池セル５へと導入され、燃料電池セル５の発電部で、前述した酸素含有ガスと電気化学反応を起こし、発電に寄与する。
【００３０】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料電池セル５の上方の燃焼部２５で、酸素含有ガスと混合し燃焼する。その燃焼熱は、燃料電池セル５の上方に設けられた燃料改質器３を加熱するために利用され、燃焼ガスは収納容器１の上部側方に設けられた排気ガス配管２６から、燃料電池の外部へと排気される。
【００３１】
そして、本発明のセルスタックでは、集電部材１４は、筒状に形成されており、図３（ａ）に示すように、この短径側が燃料電池セル５に当接するように燃料電池セル５間に配置され、筒状に形成された集電部材１４の壁面には菱形のスリット３０が形成され、図３（ｂ）に示すように、ガス流通方向から見て略楕円状である。
【００３２】
このような集電部材１４は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ガス流通方向から見た楕円は燃料電池セル５に当接する略平面の１４ａと、燃料電池セル５間の電気的接続と物理的接続とを保つ非当接部１４ｂとから形成される。
【００３３】
このような集電部材１４は、燃料電池セル５間方向及び燃料電池セル５の軸長方向への弾性を有しているため、温度変化による燃料電池セル５間の距離の変化や、燃料電池セル５の軸長方向の長さの変化にも柔軟に追随することが可能で、発電、停止に伴う熱サイクルを繰り返しても燃料電池セル５間の電気的接続を保つことができる。また、同様の理由により、振動などによる断線が起こることもない。
【００３４】
また、集電部材１４のガス流通方向から見た形状は楕円状としているが、この集電部材１４は円筒状でも、楕円筒状でもよく、また例えば、四角筒状であってもよいが、集電部材１４が変形したとしても楕円筒状であれば、燃料電池セル５との接触面積を大きくすることができるため、楕円筒状であることが望ましい。
【００３５】
また、さらに、燃料電池セル５間の距離が縮まった場合でも、集電部材１４の変形により、隣り合う集電部材１４と接触するおそれがなく、また、他の燃料電池セル５と接触するおそれがないことから、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように集電部材１４のガス流通方向から見た形状は鼓形状であることが望ましい。
【００３６】
この鼓状の集電部材１４は、燃料電池セル５に当接する略平面の１４ａと、燃料電池セル５間の電気的接続と物理的接続とを保つ非当接部１４ｂに形成された屈曲部１４ｃとから形成される。
【００３７】
この屈曲部１４ｃは燃料電池セル５間方向の弾性を生じるとともに、燃料電池セル５間の距離が小さくなった場合には屈曲部１４ｃが集電部材１４の内側に移動するため、例えば、隣り合う集電部材１４や隣り合う燃料電池セル５と干渉したり、接触することがなく、電気的接続の信頼性を向上させることができる。
【００３８】
集電部材１４は、対向する燃料電池セル５間に複数配置することが望ましい。複数配置することにより、燃料電池セル５間の導電経路を増やすことができるため、燃料電池セル５間の集電抵抗を低下させることができ、燃料電池セル５間の集電特性を向上できる。
【００３９】
さらに、図４（ｅ）に示すように、導電性板を巻回したものや、図４（ｆ）に示すように、導電性板を折り曲げたものであってもよい。
【００４０】
即ち、本発明の集電部材１４は、図５に示すような多数のスリット３０が設けられた導電性板３２からなるもので、このような形状により、Ｘ方向、Ｙ方向に柔軟に変形させることが可能であり、さらに、導電性板３２を折曲することで、Ｚ方向（Ｘ、Ｙ方向と直交する方向図示せず）へも、柔軟に変形可能としたものである。
【００４１】
なお、導電性板３２を折曲する際には、集電部材１４の全ての方向への柔軟性を確保するため、導電性板３２のＸ方向、Ｙ方向への変形可能量は、１０％以上であることが望ましく、さらに、２０％以上であることが望ましい。
【００４２】
また、導電性板３２の厚さを０．２ｍｍ以上とすることで、集電部材１４の耐熱性、耐ガス腐食性を確保でき、また、厚さを２．５ｍｍ以下とすることで、集電部材１４の柔軟性を確保することができるため、導電性板３２の厚さは、０．２〜２．５ｍｍの範囲であることが望ましい。また、集電部材１４の耐熱性、耐ガス腐食性のバランスを取るためには、０．５〜１．２ｍｍの範囲とすることが望ましい。また、導電性板３２の厚さよりも、導電性板３２に形成された線状部分３２ａが細い場合には、線状部分３２ａの幅も、上記の範囲と同様の範囲とすることで、集電部材１４の柔軟性、耐熱性、耐ガス腐食性を確保することができる。
【００４３】
また、集電部材１４は、対向する燃料電池セル５の平坦部であるインターコネクタ５ｅと、酸素側電極５ｄとの間に配置され、燃料電池セル５同士が直列に接続されており、燃料電池セル５の平坦部に集電部材１４の当接部１４ａ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。
【００４４】
また、当接部１４ａの燃料電池セル５側に突出した部分が、導電ペースト、例えば、Ａｇペーストを介在して燃料電池セル５の酸素側電極５ｄやインターコネクタ５ｅに接合されている。このＡｇペーストは例えば、発電時に焼き付けられ、当接部１４ａが、燃料電池セル５のインターコネクタ５ｅと酸素側電極５ｄに接合し、これにより、集電部材１４と燃料電池セル５との電気的接続を十分にとることができる。
【００４５】
これらの集電部材１４は、対向する燃料電池セル５間に複数介在されており、これらの集電部材１４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るものが好適に用いられる。なお、集電部材１４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。
【００４６】
そして、本発明の燃料電池では、集電部材１４がバネ性を有し、例えば、断面が楕円状、あるいは角状の当接部１４ａが燃料電池セル５の外面と面接触するため、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５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、集電部材１４は弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セル５との十分な接触を長期間確保できる。また、特に、当接部１４ａに菱形のスリット３０を設けているため、集電部材１４と燃料電池セル５外面との間を燃料ガスが通過することにより、燃料ガスを固体電解質５ｃへ十分に供給でき、発電特性を向上できる。
【００４７】
さらに、集電部材１４のスリット３０以外の部分は線状、あるいは板状であるため、比表面積が比較的小さいために、収納容器１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、酸化しくく、また、燃料電池セル５との十分な接触を長期間確保できる。
【００４８】
また、図５に示すように、集電部材１４となる導電性板３２のスリットの対角の長さＬ１、Ｌ２が異なり、Ｌ１＞Ｌ２である場合には、ガスの流通性を向上させるために、Ｌ１がガスの流通方向に沿うように集電部材１４を配置することが望ましい。
【００４９】
以上説明した図３、４の集電部材１４を用いたセルスタック、並びに燃料電池は、いずれも、多数のスリット３０が開口した導電性板３２を折曲してなる集電部材１４を用いたもので、本発明の範囲のものである。
【００５０】
なお、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ガス流路１１を有する燃料電池セル５を用いて説明したが、燃料電池セル５はガス流路１１が一つであっても良く、燃料電池セル５の形状は、例えば、円筒状としてもよい。
【００５１】
また、集電部材１４は燃料電池セル５間に複数配置してもよい。
【００５２】
また、さらに、上記例では、燃料電池セル５を直列に接続した例について説明したが、このような集電部材１４が複数結合した幅広の集電部材１４を用いて、燃料電池セル５を複数、並列に接続することで組み立てが容易となる。
【００５３】
また、燃料側電極５ｂを内側電極としたが、酸素側電極５ｄを内側電極としても良い。
【００５４】
【発明の効果】
本発明のセルスタックでは、多数のスリットが開口した導電性板を折曲してなる集電部材を用いることにより、対向する燃料電池セルの外面に当接する集電部材がバネ性を有するため、燃料電池セルの外面と面接触し、集電特性を向上できるとともに、集電部材は表面積が比較的小さいため、熱や雰囲気により、変性しにくく、燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保でき、信頼性、発電性能に優れる燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】図１のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】集電部材を用いて燃料電池セルを接続した状態と、集電部材の形状を示すもので、（ａ）は、燃料電池セル間に配置した集電部材を側方からみた側面図、（ｂ）は（ａ）で用いた集電部材をガス流通方向から見た平面図、（ｃ）は、燃料電池セル間に配置した他の形態の集電部材を側方からみた側面図、（ｄ）は（ｃ）で用いた集電部材をガス流通方向から見た平面図である。
【図４】集電部材の他の形態を示すもので、（ｅ）は、導電性板を巻回して形成した集電部材をガス流通方向から見た平面図、（ｆ）は、導電性板を折り曲げてＺ字状に形成した集電部材をガス流通方向から見た平面図である。
【図５】本発明の燃料電池に用いる導電性板を説明する平面図である。
【符号の説明】
１・・・収納容器
５・・・燃料電池セル
５ａ・・・支持体
５ｂ・・・燃料側電極（内側電極）
５ｃ・・・固体電解質
５ｄ・・・酸素側電極（外側電極）
５ｅ・・・インターコネクタ
７・・・セルスタック
１１・・・ガス流路
１４・・・集電部材
３０・・・スリット

Claims

燃料電池セル間をガスが流通するセルスタックであって、前記燃料電池セル間に、多数のスリットが開口した導電性板を折曲してなる集電部材を配置し、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ことを特徴とするセルスタック。
導電性板に開口したスリットが菱形であり、導電性板が平面方向に変形可能であることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
導電性板が、エキスパンドメタルであることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルスタック。
燃料電池セルが、軸長方向にガス流路が形成された支持体の表面に、内側電極、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支持体又は内側電極にインターコネクタを設けてなり、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、集電部材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セルスタック。
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、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セルスタック。
集電部材の燃料電池セル外面との当接部は、導電性ペーストにより対向する燃料電池セルの外面に接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセルスタック。
燃料電池セルは扁平状であり、対向する燃料電池セルの外面は略平坦であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載のセルスタック。
収納容器内に、請求項１乃至７のうちいずれかに記載のセルスタックを収納してなることを特徴とする燃料電池。