JP2007035498A

JP2007035498A - 燃料電池セルスタックにおける集電構造

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Publication number: JP2007035498A
Application number: JP2005218716A
Authority: JP
Inventors: Kenji Shimazu; 健児島津; Norimitsu Fukamizu; 則光深水
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2007-02-08
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP4966522B2

Abstract

【課題】セルスタックの燃料電池セル間の集電構造において、セル同士の間隔を一定に規定しかつ反応ガスの良好な流通性を保持する
【解決手段】複数の燃料電池セルを一列に配列させた燃料電池セルスタックにおける集電構造において、隣接する燃料電池セル間を一定間隔に規定するべく該燃料電池セル間に挿入された剛体スペーサと、前記剛体スペーサを挿入された前記燃料電池セル間にて双方の燃料電池セルに対し弾性的押圧状態にて挿入されかつ該燃料電池セル同士を電気的に接続する集電体とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の固体酸化物形燃料電池セルを一列に配列させたセルスタックにおいて各燃料電池セル間を電気的に接続する集電構造に関する。

固体酸化物形燃料電池の典型例においては、発電室内にセルスタックが配設されている。セルスタックは、複数の燃料電池セル単体を一列に配列させ各燃料電池セル間に設けられる集電構造により燃料電池セル同士を電気的に接続して構成される。

燃料電池セル間の集電構造は、燃料電池セル同士を電気的に確実に接続すると同時に燃料電池セル間における反応ガス（例えば、酸素含有ガスまたは水素リッチな燃料ガス）の良好な流通性を確保する必要がある。斯かる要件を配慮した従来の集電構造として、特許文献１〜３に記載の弾性をもつ柔軟な集電体がある。

図８は、従来の柔軟な集電体１０１の一例を示す図である。図８(Ａ１)は、集電体１０１の平面図であり、図８(Ａ２)は正面図である。集電体１０１は、平面図に示すように幅方向中央部分に膨出部分をもつ２枚の弾性変形可能な導電性の板部材の左右両側縁を互いに接合し、最大厚さＤ０の中空空間を設けている。また、正面図に示すように燃料電池セル間に収まる程度の適宜の幅及び長さを有し、各板部材は、弾性変形し易くしかつ反応ガスの流通性を確保するために、例えば菱形の切り抜き孔を穿設した網状に加工されている。斯かる形状をもつ集電体１０１は、厚さ方向に押圧されると弾性的に圧縮される。図８(Ｂ)は、複数の燃料電池セル１０を一列に配列させ各燃料電池セル間に集電体１０１を挿入して形成した１つのセルスタック１００の横断面図であり、セルスタック１００の完成寸法に固定された状態である。集電体１０１は厚さＤ１(＜Ｄ０)に圧縮された状態で挿入されており、隣接する燃料電池セル１０の電極面を弾性的に押圧することにより確実な電気的接続状態を得ようとしている。図８(Ｃ)は、燃料電池セル１０の配列方向に沿ったセルスタック１００の側面図である。これについては後述する。
特開２００５−１９２３９号公報特開２００４−２２８０５０号公報特開２００３−２９７３９６号公報

図８(Ｃ)を参照すると、従来の柔軟タイプの集電体１０１には、燃料電池セル１０同士の間隔が一定とならずばらつきが生じる（例えば、Ｄ１ａとＤ１ｂ）という問題がある。間隔にばらつきが生じると、反応ガスの流れが不均一となり、各燃料電池セル１０の発生電圧及び発生電流も不均一となり、結果的に出力が低下する。

また、燃料電池セル１０間が一定でないと、接触抵抗にばらつきを生じることとなる。さらに、発電時にはインターコネクタの還元膨張による還元反りが発生することによっても集電体の剥離が生じて接触抵抗が増大する。集電体１０１と燃料電池セル１０との接触抵抗にばらつきが生じると、電流の流れ易い箇所と流れ難い箇所ができ、このような偏りにより燃料電池セル１０の劣化が生じやすい。結果的にセルスタック１００全体の耐久性が低下することとなる。

また、燃料電池セル１０間に剛体タイプの集電体を配置することも考えられるが、剛体タイプの集電体では、燃料電池セルの寸法精度が悪い場合、接触抵抗の大きい箇所が生じて上記の柔軟タイプの集電体と同様に発電出力が不均一となり低下する。また、剛体タイプでは、燃料電池セル間において集電体の占める割合が大きく、反応ガスの流れを悪化させる傾向があり、これによって出力が低下することとなる。

上記の問題点に鑑み、本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックにおける燃料電池セル間の集電構造において、隣接する燃料電池セル同士の間隔を一定に規定しかつ還元反りを低減することにより均一な接触抵抗で電気的に確実に接続すると同時に、反応ガスの均一かつ良好な流通性を保持することにより発電出力の低下を防止することを目的とする。

（１）請求項１に係る発明は、複数の燃料電池セルを一列に配列させた燃料電池セルスタックにおける集電構造において、
隣接する燃料電池セル間を一定間隔に規定するべく該燃料電池セル間に挿入された剛体スペーサと、
前記剛体スペーサを挿入された前記燃料電池セル間にて双方の燃料電池セルに対し弾性的押圧状態にて挿入されかつ該燃料電池セル同士を電気的に接続する集電体とを有することを特徴とする。

（２）請求項２に係る発明は、請求項１において、前記剛体スペーサが導電性であることを特徴とする。

（３）請求項３に係る発明は、請求項２において、前記剛体スペーサと前記燃料電池セルとの間に導電性充填材を配置したことを特徴とする。

（４）請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、全ての隣接する燃料電池セル間に前記剛体スペーサ及び前記集電体を挿入した燃料電池セルスタックに対し、配列方向両端から押圧力を負荷する固定手段を有することを特徴とする。

・請求項１では、燃料電池セル間に剛体スペーサを挿入することにより、燃料電池セル間が剛体スペーサの厚さで規定される間隔より狭まることはなく、一定間隔に保持される。この一定に保持された間隔内に集電体が弾性的押圧状態で挿入されることにより、集電体と燃料電池セルとの接触抵抗が均一に保持される。また、燃料電池セル間の間隔が一定になることにより反応ガスの流れも均一に保持される。これにより、燃料電池セル間の不均一に起因するセルスタックの発電出力の低下が解消され、安定した発電性能が維持できる。また、還元反りも低減される。この結果、燃料電池セルの劣化が改善され、セルスタックの耐久性が向上する。

・請求項２では、剛体スペーサを導電性とすることにより、燃料電池セル間の電気的接続をさらに確実とし、接触抵抗を小さくすることができる。

・請求項３では、剛体スペーサと燃料電池セルとの間に導電性充填材を配置したことにより電気的接続をさらに確実とし、接触抵抗を小さくすることができる。

・請求項４では、セルスタックをその両端から押圧する固定手段を設けることにより剛体スペーサにより規定される一定間隔並びに集電体による弾性的押圧状態を安定に保持できる。また、燃料電池セルの還元反りも防止できる。

図１は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックにおける燃料電池セル間の集電構造の一実施形態を示す図である。図１(Ａ１)は、隣り合う燃料電池セル間に挿入される集電体２１の平面図であり、図１(Ａ２)はその正面図である。図１(Ｂ１)は、隣り合う燃料電池セル間に挿入される剛体スペーサ２２の平面図であり、図１(Ｂ２)はその正面図である。

集電体２１は、従来技術として図７に示したものと同じであり、平面図に示すように幅方向中央部分に膨出部分をもつ２枚の弾性変形可能な導電性の板部材の左右両側縁を互いに接合し、最大厚さＤ０の中空空間を設けている。また集電体２１は、正面図に示すように燃料電池セル間に収まる程度の適宜の幅及び長さを有し、各板部材は、弾性変形し易くしかつ反応ガスの流通性を確保するために、例えば菱形の切り抜き孔を穿設した網状に加工されている。斯かる形状により集電体２１は、厚さ方向に押圧されると弾性的に圧縮される。すなわち、厚さが薄くなり幅方向に伸びる。

剛体スペーサ２２は角材形状であり、いずれの方向からの圧力に対してもその形状を保持することができる。

尚、図１に示す集電体２１及び剛体スペーサ２２の形状は一例であり、これらに限定されない。

図１(Ｃ)は、集電体２１と剛体スペーサ２２を組み合わせてセルスタック１の隣り合う燃料電池セル１０の間に挿入した状態を示す、セルスタック１の横断面図である。図１(Ｃ)のセルスタック１は、完成寸法の状態で固定されている。図１(Ｄ)は燃料電池セル１０の配列方向に沿ったセルスタック１の概略的な側面図である。図示の例では、セルスタック１は、燃料ガスケース３０の上面に立設されている。

図１(Ｃ)に示すように、剛体スペーサ２２が集電体２１の中空空間内に収容された状態で、剛体スペーサ２２により燃料電池セル１０同士の間隔Ｄ１（＜Ｄ０）が規定されている。弾性変形可能な集電体２１は厚さ方向に押圧力が負荷されると圧縮されるが、剛体スペーサ２２があるために一定間隔Ｄ１より薄く圧縮されることはない。セルスタック１をこの完成寸法で固定するためには、例えば、セルスタック１をその両端から押圧する固定手段を設けたり、接着剤（必要に応じて導電性接着剤）等を各構成要素間に適宜塗布した後に十分な固着力が得られるまで押圧状態で仮固定したりする。

このようにして、弾性圧縮された集電体２１は、弾性的押圧状態で隣接する双方の燃料電池セル１０の電極面に当接し、これらを電気的に接続する。尚、図１の例の剛体スペーサ２２は燃料電池セル１０に直接接触しておらず、その材質は導電性であっても絶縁性であってもよい。

図１(Ｄ)の側面図に示すように各燃料電池セル１０間は一定間隔Ｄ１に規定されており、燃料電池セル１０間における電気的接続状態の均一性と、反応ガスの均一な流れが確保される。

ここで、図１(Ｃ)を参照しつつセルスタック１の構成例を説明する。各燃料電池セル１０は、電極支持基板３、内側電極層である燃料極層４、固体電解質層５、外側電極層である酸素極層６、及びインターコネクタ７から構成されている。電極支持基板３は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板３にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）の燃料ガス通路８が形成されている。電極支持基板３の各々は、例えば図１(Ｄ)に示すように燃料ガスケース３０の上面に設けた各スリット(図示せず)に対応するように配置され、耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。このスリットを通して燃料ガスが燃料ガス通路８内へ送られ、下方から上方へと流れる過程で発電反応に寄与する。

インターコネクタ７は電極支持基板３の片面上に配設されている。燃料極層４は電極支持基板３の他面及び両側面を囲周するように配設されており、その両端はインターコネクタ７の両端に接合されている。固体電解質層５は燃料極層４の外面全体を覆うように配設され、その両端は同様にインターコネクタ７の両端に接合されている。酸素極層６は、固体電解質層５の平坦部分の外面上、即ち燃料極層４とは反対側の面を覆うように配置され、電極支持基板３を挟んでインターコネクタ７と対向する位置にある。

そして、セルスタック１における隣接する燃料電池セル１０間の集電構造として集電体２１と剛体スペーサ２２の組合せが配設されており、一方の燃料電池セル１０のインターコネクタ７と他方の燃料電池セル１０の酸素極層６とを接続している。尚、セルスタック１における燃料電池セル１０の配列方向両端に位置する燃料電池セル１０の端面側にも集電構造が配設されており（図示せず）、適宜の電力取出手段（図示せず）が接続されることにより、発電室から外部へ電力を取り出している。

図示の例では、水素リッチな燃料ガスが燃料ガスケース３０からセルスタック１へ供給され、セルスタック１の周囲に酸素含有ガス（例えば空気等）が供給される。すなわち、燃料ガスは燃料電池セル１０の燃料ガス通路８から燃料極層４へ供給され、酸素含有ガスは燃料電池セル１０間に位置する酸素極層６へ供給される。これにより、各燃料電池セルでは、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

図２は、本発明による集電構造の別の実施形態を示す図である。図２(Ａ)は、図１(Ａ１)及び(Ａ２)に示したものと同じ、厚さ方向に弾性変形可能な導電性の集電体２１の平面図である。図２(Ｂ)は、略立方体形状のもの４つから構成される剛体スペーサ２３ａ〜２３ｄの斜視図である。図２(Ｃ)は、集電体２１と剛体スペーサ２３ａ〜２３ｄを各燃料電池セル１０間に挿入し、完成寸法に固定した状態のセルスタック１の横断面図である。図２(Ｄ)は、燃料電池セル１０の配列方向に沿ったセルスタック１の概略的な側面図である。図示の例では、セルスタック１は、燃料ガスケース３０の上面に立設されている。

図２の実施形態では、２つの剛体スペーサ２３ａ、２３ｂが集電体２１の上側に配置され、他の２つの剛体スペーサ２３ｃ、２３ｄが集電体２１の下側に配置されている。この場合は、各剛体スペーサが直接燃料電池セル１０に当接することにより、燃料電池セル１０同士の間隔を一定に規定している。この場合、剛体スペーサを導電性とし、さらに燃料電池セル１０の間に導電性接着剤を適用して、良好な電気的接続を確保することが好適である。

図３は、図２の実施形態の変形例を示した図であり、燃料電池セル１０間における剛体スペーサ２３ａ等の配置を示した正面図である。図３(Ａ)は、図２の実施形態と同じである。図３(Ｂ)では、集電体２１の上側に１つの剛体スペーサ２３ａ及び下側に１つの剛体スペーサ２３ｂが配置されている。図３(Ｃ)では、集電体２１の上側に２つの剛体スペーサ２３ａ、２３ｂ及び下側に１つの剛体スペーサ２３ｃが配置されている。図３(Ｄ)では、集電体２１の上側に３つの剛体スペーサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ及び下側に３つの剛体スペーサ２３ｄ、２３ｅ、２３ｆが配置されている。

図４は、本発明による集電構造の別の実施形態を示す斜視図である。本発明の集電構造における集電体２１は、燃料電池セル１０間に剛体スペーサが挿入されて一定の間隔が規定された状態で双方の燃料電池セル１０に対して弾性的押圧状態で挿入される導電性部材であれば、特定の形状に限定されない。図４(Ａ)は、Ｕ字状断面の板部材２枚の各開口部を幅方向外側に向けて背中合わせに接合した集電体２１であり、２つのＵ字状空間部分に角材形状の剛体スペーサ２２ａ、２２ｂを配置した集電構造である。図４(Ｂ)は、楕円形断面の集電体２１の中空空間に角材形状の剛体スペーサ２２を配置した集電構造である。図４(Ｃ)は、波形断面の集電体２１の上側と下側に直方体形状の剛体スペーサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを配置した集電構造である。尚、図４(Ａ)〜(Ｃ)に示した集電体２１はいずれも切り抜き孔等を示していないが、図１及び図２の例のように網状としたり、あるいは格子状または多孔板等とすることにより燃料電池セル１０間のガス流通性を良くすることが好適である。

図４(Ｄ)は、１枚の導電板に対し複数の幅方向の切り込みを所定間隔で設け（両端部は切り離さない）、隣り合う切り込みの間の部分を交互に反対方向に膨出させて集電体２１を形成し、内部空間に剛体スペーサ２２を配置した集電構造である。この実施例では、集電体２１を１枚の板から容易に作製できる。
図４(Ｅ)は、図４(Ｄ)と同様に一枚の導電板に対しさらに細かい間隔で多数の幅方向の切り込みを設け互い違いに膨出させて集電体２１を形成しているが、さらに一定の間隔で両端部から中央へ向かって切り込み２１ａを設けている（中央部は切り離さない）。これにより集電体２１はより柔軟な変形が可能となり燃料電池セル１０との良好な接触が実現できる。尚、この集電体２１では上側と下側に直方体形状の剛体スペーサ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを配置している。

図５は、本発明によるセルスタック１の固定手段の一実施形態を示す図である。図５(Ａ)は平面図、図５(Ｂ)は燃料電池セルの配列方向に沿った側面図、そして図５(Ｃ)は配列方向の一端における側面図である。セルスタック１の各燃料電池セル１０間には、例えば図１に示した本発明の集電構造が挿入されている。各燃料電池セル１０は、燃料ガスケース３０の上面に設けられた各スリットに装着された状態である。セルスタック１の固定手段４０は、セルスタック１における燃料電池セル１０の配列方向両端に固定板４１ａ、４１ｂをそれぞれ当接させ、これらの固定板４１ａと４１ｂとを連結する６本の連結ロッド４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ、４２ｅ、４２ｆを、配列方向に沿った両側面に３本ずつ上下方向に配置し、各連結ロッド両端部に設けたボルトをそれぞれナット４３ａ、４３ｂ等で締結することにより、セルスタック１を完成寸法で固定する。この状態で、セルスタック１の集電構造における各集電体２１は当接する燃料電池セル１０に対して弾性的に押圧され、かつ燃料電池セル１０間は剛体スペーサ２２により一定間隔に規定されている。このような固定手段を設けることにより、燃料電池セル１０の還元反りを確実に防止することができる。

図６は、２つのセルスタック１ａ、１ｂの固定手段の一実施形態を示す図である。図６(Ａ)は平面図、図６(Ｂ)は燃料電池セルの配列方向に沿った側面図、そして図６(Ｃ)は配列方向の一端における側面図である。セルスタック１ａ、１ｂの各燃料電池セル１０間には、例えば図１に示した本発明の集電構造が挿入されている。各燃料電池セル１０は、図示の例では１つの燃料ガスケース３０の上面に設けられた各スリットに装着された状態である。固定手段４０は、セルスタック１ａ、１ｂの燃料電池セル１０の配列方向両端に対して固定板４１ａ、４１ｂをそれぞれ当接させ、これらの固定板４１ａと４１ｂとを連結する３本の連結ロッド４２ａ、４２ｂ、４２ｃを、セルスタック１ａと１ｂの間に上下方向に配置し、各連結ロッド両端部に設けたボルトをそれぞれナット４３ａ、４３ｂ等で締結する。これにより、１つの固定手段で同時に２つのセルスタック１ａ、１ｂを完成寸法で固定することができる。２つのセルスタックを一体化することにより、一度に発電室内に設置したり取り出したりすることができる。

図７は、セルスタック１の固定手段４０の別の実施形態を示す図である。図７(Ａ)は平面図、図７(Ｂ)は燃料電池セルの配列方向に沿った側面図、そして図５(Ｃ)は配列方向の一端における側面図である。この実施形態では、燃料電池セル１０の配列方向に沿った両側面と配列方向の一端とを囲むコ字状ケース４１ａと、配列方向の他端においてセルスタック１に当接する固定板４１ｂとを締結ロッド４２ａ、４２ｂを用いて結合することにより、セルスタック１を押圧状態で固定する。締結ロッド４２ａは、コ字状ケース４１ａの開放端側の対向する側壁にそれぞれ穿設した傾斜付きのくさび孔４３ａ１と４３ａ２の間に架け渡され、締結ロッド４２ｂは同様にくさび孔４３ｂ１と４３ｂ２の間に架け渡されている。締結ロッド４２ａ、４２ｂとセルスタック１との間に固定板４１ｂが配置されている。締結ロッド４２ａは、くさび孔４３ａ１と４３ａ２の傾斜に沿って下方に押し込まれるとセルスタック１の方へ移動する。締結ロッド４２ｂについても同様である。これにより、締結ロッド４２ａ、４２ｂが固定板４１ｂをセルスタック１に対して押し付けることとなる。尚、コ字状ケース４１ａの両側壁には、セルスタック１への反応ガスの流通性を確保するために適宜の形状及び数の窓４４ａ、４４ｂを穿設する。あるいは、コ字状ケース４１ａを網状、格子状、多孔部材等で形成してもよい。コ字状ケース４１ａの連結端側には燃料ガスケース３０上に固定するための脚部４１ａ１が設けられ、固定板４１ｂにも同様に脚部４１ｂ１が設けられている。

尚、セルスタックの固定手段は、上記の例に限定されず、セルスタックに対して燃料電池セルの配列方向両端から押圧力を負荷する手段であればいずれの構造であってもよい。

本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックにおける燃料電池セル間の集電構造の一実施形態を示す図である。図２の実施形態の変形例を示した図である。 (Ａ)〜(Ｄ)は、図２の実施形態の変形例を示した図である。本発明による集電構造の別の実施形態を示す斜視図である。本発明によるセルスタックの固定手段の一実施形態を示す図であり、 (Ａ)は平面図、(Ｂ)は燃料電池セルの配列方向に沿った側面図、そして(Ｃ)は配列方向の一端における側面図である。本発明による２つのセルスタックの固定手段の一実施形態を示す図であり、(Ａ)は平面図、(Ｂ)は燃料電池セルの配列方向に沿った側面図、そして(Ｃ)は配列方向の一端における側面図である。本発明によるセルスタックの固定手段の別の実施形態を示す図であり、 (Ａ)は平面図、(Ｂ)は燃料電池セルの配列方向に沿った側面図、そして(Ｃ)は配列方向の一端における側面図である。従来の柔軟な集電体の一例を示す図である。

符号の説明

１セルスタック
１０燃料電池セル
２１集電体
２２剛体スペーサ
４０固定手段

Claims

複数の燃料電池セルを一列に配列させた燃料電池セルスタックにおける集電構造において、
隣接する燃料電池セル間を一定間隔に規定するべく該燃料電池セル間に挿入された剛体スペーサと、
前記剛体スペーサを挿入された前記燃料電池セル間にて双方の燃料電池セルに対し弾性的押圧状態にて挿入されかつ該燃料電池セル同士を電気的に接続する集電体とを有することを特徴とする燃料電池セルスタックにおける集電構造。
前記剛体スペーサが導電性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタックにおける集電構造。
前記剛体スペーサと前記燃料電池セルとの間に導電性充填材を配置したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルスタックにおける集電構造。
全ての隣接する燃料電池セル間に前記剛体スペーサ及び前記集電体を挿入した燃料電池セルスタックに対し、配列方向両端から押圧力を負荷する固定手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池セルスタックにおける集電構造。