JP2006032329A - 燃料電池用電力ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性、耐熱性、可塑性、強度、絶縁性等に優れる燃料電池用の電力ケーブルを提供する。
【解決手段】 通電用のＡｇ線３５と、補強用のＮｉ線３４と、これらを一括して被覆する絶縁クロス３６とで構成される。Ｎｉ線３４が中心部に配置され、その周りを囲むように複数本のＡｇ線３５が配置されている。強度に劣るＡｇ線３５はＮｉ線３４の剛性で補強されているため、高温環境下での熱膨張でケーブルが撓んでもＡｇ線３５が断線することはない。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、６００〜８００℃といった高温下で使用して好適な燃料電池の電力取り出し用ケーブルに関する。

固体酸化物形燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。
この積層体から成る発電セルを、間に燃料極集電体と空気極集電体を介在してセパレータと交互に複数積層することにより燃料電池スタックを構成できる。

固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸化剤ガス（酸素) が、燃料極側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

この燃料電池スタックを１個、もしくは複数個を耐熱性のハウジング内に収納し、複数個の場合は相互に接続することにより、所望出力の燃料電池モジュールが構成できる。

通常、このような燃料電池モジュールでは、上記した各燃料電池スタック間の電気的接続や外部負荷との電気的接続には、モジュール内雰囲気に耐え得る高耐熱の電力ケーブルが用いられている。

従来、この種の高耐熱ケーブルとしては、スズメッキ銅線等による編組線等が知られているが、燃料電池のような高温で、且つ酸化性の雰囲気下で使用すると、スズメッキ銅線が酸化により腐食し、断線する等の問題があり、一方、耐腐食性に優れるステンレス線やニッケル線では、導電性に劣り電力損失が大きいため通電用として不向きであった。

燃料電池の内、特に、上記した固体酸化物形燃料電池では、高温作動型の場合、１０００℃前後、低温作動型で７００℃前後の作動温度を維持する必要があることから、ケーブルは、常に６００〜８００℃程度の高温酸化雰囲気下に曝されることになり、且つ、モジュール内を複雑に屈曲設置されることが多いため、燃料電池に使用する電力ケーブルとしては、高導電率、高耐熱に加えて、可撓性、高強度、高絶縁性等も要求されている。

本発明は、このような要求に鑑み、高導電性は勿論のこと、耐熱性、可塑性、強度、絶縁性等にも優れた燃料電池用の電力ケーブルを提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の本発明は、通電用の貴金属線と、補強用の耐熱金属線と、これら貴金属線と耐熱金属線を一括して被覆する絶縁性クロスとで構成されることを特徴としている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池用電力ケーブルにおいて、前記耐熱金属線を中心部に配置し、その周りを囲むように前記貴金属線を複数配置したことを特徴としている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用電力ケーブルにおいて、前記貴金属線としてＡｇ線、またはＡｕ線、またはＰｔ線の何れかを用いることを特徴としている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用電力ケーブルにおいて、前記耐熱金属線としてＮｉ線、またはＮｉ基合金線、またはＦｅ基合金線の何れかを用いることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、補強用に線径１ｍｍ程の細径Ｎｉ単線を中心部に配置すると共に、通電用に線径１ｍｍ程の細径Ａｇ線を、前記Ｎｉ線を囲むように少なくとも６本以上配置し、これらを絶縁クロスにて一括被覆したことを特徴としている。

また、請求項６に記載の本発明は、請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池用電力ケーブルにおいて、固体酸化物形燃料電池に用いることを特徴としている。

本発明の構成では、通電用として導電性に優れるＡｇ線を用い、Ａｇ線の強度的問題を耐高温酸化性に優れるＮｉ線の剛性で補償している。通電用のＡｇ線は、線径１ｍｍ程度の細径線を複数本（少なくとも６本以上）用いて通電時（電極から電力を取り出す時）の電力損失を低減すると共に、補強用のＮｉ線として線径１ｍｍ程度の単線を用い、高温酸化雰囲気下において優れた引張強さを確保することにより、高温下での熱膨張による電力ケーブルの変位や変形等に起因するＡｇ線の破断を防止している。

また、これらの芯材（Ａｇ線およびＮｉ線）を絶縁クロスにて一括被覆し、燃料電池モジュール内での絶縁性を確保することにより、周辺金属体との短絡事故を防止している。

また、芯材を細径線による多芯構造として電力ケーブルに可撓性を持たせ、ケーブルの引き回しに自由度を持たせることにより、ケーブルの屈曲設置を容易にして燃料電池モジュールの組立性を向上している。

以上説明したように、本発明によれば、通電用の複数の貴金属線と、補強用の耐熱金属線と、これら貴金属線と耐熱金属線を一括して被覆する絶縁クロスとで構成したので、電導性、耐熱性、可塑性、強度、絶縁性等において優れた電力ケーブルが得られる。従って、この電力ケーブルを燃料電池の電力取り出し用に使用した場合は、６００〜８００℃といった高温酸化雰囲気下にて耐熱性、導電性に優れており、長期の使用にあっても腐食や引っ張り力によるケーブルの断線を防止できると共に、高温多湿雰囲気での優れた絶縁性により、各缶体や燃料電池スタック等、ケーブル周辺の金属体との間の短絡事故が防止できる。
加えて、その可撓性により、狭い場所での電力ケーブルの複雑な引き回しや設置等に自由度が得られ、燃料電池の組立性が向上する。

以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。

図１は、本発明が適用された固体酸化物形電池モジュールの内部構成を示し、図２は燃料電池スタックの構成を示し、図３は本発明の電力ケーブルの構成を示し、図４、図５は、当電力ケーブル末端部の接続処理を示している。

図１において、固体酸化物形燃料電池１（燃料電池モジュール１）は、内部缶体２１（但し、図１では内部缶体２１の底板の一部を示している）と、その外側のモジュール缶体２０（但し、図１では、モジュール缶体２０の底板の一部を示している）による２重構造と成され、且つ、モジュール缶体２０と内部缶体２１の間には断熱材２３が介装されている。
内部缶体２１の内部、即ち、発電反応室２４のほぼ中央に積層方向を縦にして円筒状の燃料電池スタック１０が配設されている。

この燃料電池スタック１０は、図２に示すように、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４（酸化剤極層）を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７（酸化剤極集電体）と、各集電体６、７の外側のセパレータ８、８を順番に積層した構造となっている。

ここで、例えば、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。

また、燃料電池スタック１０の上下両端に一対の集電板９ａ、９ｂが配設されており、燃料電池スタック１０からの電力の取り出しは、この上下の集電板９ａ、９ｂに設けた正電極板１１ａおよび負電極板１１ｂを介して行うことができる。この集電板１０ａ、１０ｂおよび電極板１１ａ、１１ｂは何れもステンレスで構成されており、且つ、表面にＡｇメッキが施されている。
本実施形態では、外部負荷（図示せず）との接続用として、上下集電板９ａ、９ｂに接続された２本の電力ケーブル３０ａ、３０ｂがケーブル引き出し用に各底板に設けた内部缶体２１の通孔２１ａおよびモジュール缶体２０の通孔２０ａを通して外部に引き出されている。

この電力ケーブル３０ａ、３０ｂは、図３に示すように、芯部（中心部）に位置する補強用の耐熱金属線３４と、この耐熱金属線３４の周囲を囲むように配置された通電用の複数の貴金属線３５と、これら複数の貴金属線３５と耐熱金属線３４を一括して被覆する絶縁クロス３６とで構成されている。
絶縁クロス３６は、ガラス、アルミナ、シリカ、石英等の耐熱性セラミック繊維を編組したもので、芯材（耐熱金属線３４および貴金属線３５）の耐熱性向上と、周辺金属体との短絡防止を兼ねている。
また、上記貴金属線３５として、Ａｇ線、Ａｕ線、Ｐｔ線等が使用可能であるが、比較的電気抵抗率が小さく導電性に優れ、且つ、安価であること等の理由から上記電線の内、Ａｇ線を用いるのが望まし。因みに、各々電線の電気抵抗率を比較すると、Ａｇは１．５９Ω・ｃｍ、Ａｕは２．３５Ω・ｃｍ、Ｐｔは１０．６４Ω・ｃｍである。
他方、上記耐熱金属線３４として、Ｎｉ線、またはＮｉ基合金線、またはＦｅ基合金線等が使用可能であるが、５００〜７００℃における水蒸気酸化性等、耐高温酸化性に優れるという理由から上記電線の内、Ｎｉ線を用いるのが望ましい。

そこで、本実施形態では、通電用として導電性に優れるＡｇ線３５を用い、耐高温酸化性に優れるＮｉ線３４の剛性で、このＡｇ線の強度的問題を補償する構成としている。

ここで、Ａｇ線３５は、線径１ｍｍ程度の細径線を少なくとも６本以上（好ましくは９本以上）用いて通電時の電力損失を低減していると共に、Ｎｉ線３４は線径１ｍｍ程度の単線を用い、６００〜８００℃の高温雰囲気下において引張強さ３００Ｎ／ｍｍ²以上を確保するようにしている。このように、電力ケーブルの芯材を細径電線による多芯構造とすることにより、電力ケーブル３０ａ、３０ｂに適度な可撓性を持たせることができる。

図１に示すように、電力ケーブル３０ａ、３０ｂの一端は、発電反応室２４内において、各集電板９ａ、９ｂに導通する電極板１１ａ、１１ｂの適所に止めネジ３１にて固定されると共に、外部負荷（例えば、燃料電池の直流出力を交流に変換するインバータ）との接続端部は、圧着端子３２により末端処理されて外部に引き出されている。この圧着端子３２はステンレスで構成されており、導電性を増すため表面にＡｇメッキが施されている。

各電極板１１ａ、１１ｂと電力ケーブル３０ａ、３０ｂとの接続は、図４に示すように、芯材（３４、３５）を可締めた圧着端子３２を止めネジ３１にて電極板１１ａ、１１ｂに固定しても良いし、或いは、図５に示すように、芯材（３４、３５）を止めネジ３１により直接電極板１１ａ、１１ｂに締め付け・固定しても良いが、何れの場合も、圧着端子３２もしくは芯材（３４、３５）を金属製の押さえ板３３で上下より挟み込むように共締めするのが良い。
尚、共締めの際、止めネジ３１と押さえ板３３の間に金属製の平ワッシャ３８を介在すると芯材を確実に固定できる。また、芯材を直接ネジ止めする図５の場合は、金属製のリング体３９を用いて芯材をネジ止めする近傍で束ねておくと良い。

押さえ板３３は、厚さ０．３ｍｍ程度のＡｇ製の角板を用い、圧着端子３２や芯材（３４、３５）と共締めすることにより、その柔軟性により接触部分が良く馴染んで両者の接触性が向上し、ケーブル接続時の電気的信頼性を向上できる。

運転時の高温環境下（６００〜８００℃）において、集電板９ａ、９ｂは熱膨張により２．６ｍｍ程度の変位が生じ、その分ケーブルが摺動し、且つ、ケーブル自体も熱変形するが、この変位や変形は電力ケーブル３０ａ、３０ｂの可撓性により充分吸収できる。特に、ケーブルの撓み部分において芯材（３４、３５）に引っ張り力が加わるが、ケーブルはＮｉ線３４の剛性によって補強されているため、強度に劣るＡｇ線３５が断線することはない。

加えて、これら芯材（３４、３５）を被覆する絶縁クロス３６により、高温多湿の燃料電池モジュール内においても優れた絶縁性が確保されており、芯材（３４、３５）と内部缶体２１、モジュール缶体２０、燃料電池スタック１０等、周辺金属体との短絡事故が回避できる。

特に、電力ケーブル３０ａ、３０ｂが内部缶体２１やモジュール缶体２０を貫通する部分を更にアルミナ等による筒状の碍子３７にて被覆・保護することにより、接触する金属体との短絡をより確実に防止できる。

また、各通孔２１ａ、２０ａの孔径を幾分狭くして、電力ケーブル３０ａ、３０ｂが通孔２１ａ、２０ａを貫通する部分の碍子３７との隙間にガラスウール等を充填しておくことで、発電反応室２４内の排ガスがこれら通孔２１ａ、２０ａの隙間から外部に漏れ出るのを防止している。

また、芯材（３４、３５）を細径電線による多芯構造として電力ケーブル３０ａ、３０ｂに可撓性を持たせることにより、ケーブルの引き回しや設置等に自由度を持たせることができ、特に、内部缶体２１内に複数の燃料電池スタック１０を搭載した高出力型の燃料電池モジュール１では、電力ケーブル３０ａ、３０ｂの外部引き出しに加え、内部缶体２１内において各燃料電池スタック１０間を電気的に接続する際も、狭い場所での複雑なケーブルの引き回しが容易に行えるため、燃料電池モジュール１の組立性は向上する。

本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部構成の概略を示す図。 同、固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図。 本発明に係る電力ケーブルの構成を示す断面図。 図３の電力ケーブルの端末部の接続処理を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。 図４とは別の接続処理を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。

符号の説明

１ 燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
３０ａ、３０ｂ 電力ケーブル
３４ 耐熱金属線（Ｎｉ線）
３５ 貴金属線（Ａｇ線）
３６ 絶縁クロス

Claims (6)

1. 通電用の貴金属線と、補強用の耐熱金属線と、これら貴金属線と耐熱金属線を一括して被覆する絶縁クロスとで構成されることを特徴とする燃料電池用電力ケーブル。
2. 前記耐熱金属線を中心部に配置し、その周りを囲むように前記貴金属線を複数配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用電力ケーブル。
3. 前記貴金属線としてＡｇ線、またはＡｕ線、またはＰｔ線の何れかを用いることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用電力ケーブル。
4. 前記耐熱金属線としてＮｉ線、またはＮｉ基合金線、またはＦｅ基合金線の何れかを用いることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用電力ケーブル。
5. 補強用に線径１ｍｍ程の細径Ｎｉ単線を中心部に配置すると共に、通電用に線径１ｍｍ程の細径Ａｇ線を、前記Ｎｉ単線を囲むように少なくとも６本以上配置し、これらを絶縁クロスにて一括被覆したことを特徴とする燃料電池用電力ケーブル。
6. 固体酸化物形燃料電池に用いることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れかに記載の燃料電池用電力ケーブル。

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