JP2008071615A

JP2008071615A - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2008071615A
Application number: JP2006249102A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Matsuoka; 聡松岡; Akira Kawakami; 晃川上; Naoki Watanabe; 直樹渡邉
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-27

Abstract

【課題】従来の燃料電池モジュールではセルの端部がガス供給ヘッダー及びガス排出ヘッダーより内側に配置されていた為にセルごとの電位が測定できず、稼働中のモジュールのセルごとの電位測定が困難であり、故障予測が困難であった。また一度組立てた電気接続は再構成する事が困難であり、電力条件の変更や、故障時の迂回回路構成も難しかった。
【解決手段】セルの端部に内側電極の電気取出し端子、他端に外側電極の電気取出し端子を取付け、ガス供給ヘッダーおるいはガス排出ヘッダーから突出させ、両ヘッダーの外側から導電部材を取付ける事によりセルごとの電位測定と、導電回路の再構成を可能にした。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池のモジュール構造に係り、特に発電時の各燃料電池セルの電位監視に好適で、セルの組み替えに好適なモジュール構造に関する発明である

環境問題を解決する技術の一つとして燃料電池の研究が進められている。燃料電池は電解質の素材により固体高分子形、リン酸形、固体酸化物形等に区分され、特に固体酸化物形燃料電池は理論的な発電効率の高さから注目を集めている。また、固体酸化物形燃料電池のセルは、その形状により平板形、円筒形の区分がなされ、夫々体積出力密度、形状による耐久性の面で優位性があると論じられている。

従来の円筒形固体酸化物形燃料電池のモジュール構造は、円筒形のセルを配列し、その両端を板状の部材で保持する事でスタックを構成し、板状の部材の外側にガスヘッダーを構成するとともに内側にもガス容器を構成する事で燃料及び空気を流通させる空間を実現するモジュール構造が提案されている（例えば特許文献１）。このような場合、セルの端子部分がモジュール内部に内包されている為、発電運転時に故障予測や運転状況把握のために各セルの電位変化を測定しようとしても測定電位線の仕舞が複雑となり、実現性に乏しくなるという問題がある。

また、使用状況に応じてモジュールの定格電流／電圧値を変更したい場合、セル同士の直列/並列の接続数を変更できれば状況に応じて臨機応変にモジュールの定格を変更させる事が可能だが、モジュール内部にスタックが内包されている場合、直列/並列の数は煩雑な操作により内部にアクセスする必要があり、これも実現性に乏しいという問題と考えられる。

特開２００４−０３９３３１号公報（第１図）

本発明は上記問題を解決する為になされたものであり、本発明は燃料電池モジュール構造において各セルの運転状況を簡便に把握できるようにし、更に燃料電池セルの並列／直列構成を比較的簡便に変更しうる構造を提案する事にある。

上記目的を達成するために本発明の燃料電池は、内側電極、電解質、外側電極が順次積層された筒状のセルと、
前記セルの一端に設けられた内側電極の電気取り出し端子と、
前記セルの他端に設けられた外側電極の電気取り出し端子とを備えたセル組立体と、
前記セルの内側へガスを供給する為のガス供給ヘッダーと、
前記セルの内側からガスを排出する為のガス排出ヘッダーと、
前記セルの外側へガスを供給及び排出する為のガス容器とを備え、
前記ガス容器の両端に前記ガス供給ヘッダーと前記ガス排出ヘッダーが対向して配置されており、
複数の前記セル組立体は前記ガス容器と前記ガス供給ヘッダーと前記ガス排出ヘッダーとを貫通した状態で前記ガス容器と前記ガス供給ヘッダーと前記ガス排出ヘッダーにシール固定され、
前記内側電極の電気取り出し端子の少なくとも一部が前記ガス供給ヘッダーまたは前記ガス排出ヘッダーの外側に突出した内側電極の電気取り出し端子の突出部と、
前記外側電極の電気取り出し端子の少なくとも一部が前記ガス供給ヘッダーまたは前記ガス排出ヘッダーの外側に突出した外側電極の電気取り出し端子の突出部とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記内側電極の電気取り出し端子または前記外側電極の電気取り出し端子が前記セルの円筒内部へガスを供給または排出する為の孔を備えたキャップ形状であることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、隣接する前記内側電極の電気取出し端子の突出部と前記外側電極の電気取出し端子の突出部とが、導電部材により一対一もしくは複数対複数の組合わせで相互に接続されていることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記ガス供給ヘッダー及び前記ガス排出ヘッダーは、前記セル組立体及び前記導電部材と電気的に絶縁されていることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記内側電極の電気取出し端子の突出部または外側電極の電気取出し端子の突出部にねじ溝が形成されており、前記ねじ溝に固定用ナットを配置したことを特徴とする。

本発明によれば、セルの両端に電気取出し端子を搭載し、電気取出し端子がガス供給ヘッダー及びガス排出ヘッダーの外側に突出している為にセル夫々の電位測定が簡便に可能となり、運転中の競る状況把握が容易となり故障予測がしやすくなるためメンテナンス性が向上するという効果がある。
また、電気取出し端子の突出部が、相互に導電部材により接続されているためにモジュールの電力、電圧条件を簡便に組み替え可能であり、可用性が高まるという効果がある。

以下に図面を用いて、本発明の燃料電池を詳細に説明する。
図１には、本発明の燃料電池の発電素子であるセルの構造を示す。セル１の一端には内側電極２が露出されており、セル１の他端には外側電極３が設けられている。内側電極２と、外側電極３に挟み込まれるように、電解質４が配置されている。

図２には、本発明の燃料電池を構成するセル組立体の構造を示す。セル組立体５は、セル１の内側電極２に、内側電極の電気取出し端子６が配置され、セル１の外側電極３には外側電極の電気取出し端子７が配置されている。
内側電極の電気取出し端子６及び外側電極の電気取出し端子７は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱性金属や、ランタンクロマイトなどの導電性セラミック材料で形成することができる。
内側電極の電気取出し端子６及び外側電極の取出し端子７は筒状部６ａ、７ａと、凸部６ｂ、７ｂを備えている。筒状部と凸部は、内部で連通している。また、筒状部６ｂ、７ｂの内径はセルの外径よりも大きく設計されており、セル端部が挿入可能である。例えば、セルの内側電極が外周面に露出した端部を筒状部内側に挿入し、図示しない接合剤により接合する事で、電気取出し端子とセルの内側電極とを電気的接続でき、該電気取出し端子は内側電極の電気取出し端子となる。また、セルの外側電極が外周面に露出した端部を筒状部内側に挿入し、接合材により接合することで、電気取出し端子とセルの外側電極とを電気的接続でき、該電気取出し端子は外側電極取出し端子となる。この接合剤には一般的なロウ材の他、銀、もしくは銀を主成分とした合金を用いる事が出来る。またその他の金属を接合剤として使用する事も出来る。
電気取り出し端子と内側電極または外側電極とを全周にわたって緻密な接合剤により接合することで、円筒型セルの内部と外部とのガスシールを実現することもできる。
内側電極の電気取出し端子６及び外側電極の電気取出し端子７は、さらに、凸部６ａ、６ｂの側面には、セルの内側へガスを導入するための孔６ｃ、７ｃを設けることもできる。

図３は本発明の燃料電池の一実施形態を示す外観図であり、図４は図３の点線にて示した平面で切断した本発明の燃料電池の一実施形態を示す平面断面図であり、図５は図３の点線にて示した平面で切断した本発明の燃料電池一実施形態を示すの断面斜視図である。

本発明の燃料電池は、複数のセル１が長手方向に並行になるように配置され、ガス容器１１に内包されている。セル１の長手方向の延長上にあるガス容器１１の側面には、さらに、一方にガス供給ヘッダー９、他方にガス排出ヘッダー１０が設けられている。ガス容器１１はセルの外側電極と反応するガスを供給／排出するための、外側電極ガス供給管１７、外側電極ガス排出管１８を備えている。また、ガス供給ヘッダー９はセルの内側電極と反応するガスを供給するための内側電極ガス供給管１５、ガス排出ヘッダー１０はセルの内側電極と反応するガスを排出するための内側電極ガス排出管１６を備えている。
セル１は、両端に電気取出し端子６、７を備えたセル組立体の構造を有している。電気取出し端子６、７はガス供給ヘッダー９又はガス排出ヘッダー１０を貫通し、その一部がガス供給ヘッダー９又はガス排出ヘッダー１０の外部に突出し、突出部８を形成している。ガス供給ヘッダー９とガス排出ヘッダー１０には予め孔が設けておくことで、電気取出し端子６、７が挿入が容易となる。ガス供給ヘッダー９及びガス排出ヘッダー１０に電気取り出し端子６、７の何れを挿入するかは、燃料電池に必要な電流、あるいは電圧条件によりあらかじめ設定する事が出来る。例えば、隣接するセル組立体の一方の内側電極の電気取出し端子６と他方の外側電極の電気取出し端子７とが同じ側にくるように配置することで、電気的に直列に接続することができる。また、隣接するセル組立体の一方の内側電極の電気取出し端子６と他方の内側電極の電気取出し端子６とが同じ側にくるように配置することで、電気的に並列に接続することができる。
ガス供給ヘッダー９もしくはガス排出ヘッダー１０と、電気取出し端子とが接触する面には図示しない絶縁層が配置され、セル組立体５はガス供給ヘッダー９及びガス排出ヘッダー１０と電気的に絶縁されている。
隣接するセル同士は、突出部８同士を導電性部材１２で接続することにより、電気的に接続されている。導電部材１２の形状と、配置については燃料電池に必要な電流、あるいは電圧条件によりあらかじめ設定する事が出来る。例えば、隣接する２つの凸部を１つの導電部材で接続しても良いし、３つ以上の凸部を１つの導電部材で接続しても良い。また、導電部材１２と、ガス供給ヘッダー９との間には図示しない絶縁層を配置することもできる。
突出部８にはネジ溝（図示しない）が設けられており、固定用ナット１３を配置し、締め付ける事で、電気取り出し端子の筒状部と凸部とをつなぐ面と固定用ナットとがヘッダーを挟み込んだ状態となるので、セル組立体５をガス供給ヘッダー９及びガス排出ヘッダー１０に固定することができる。燃料電池の電気回路の両終端には、終端導電部材１４を配置する事で、燃料電池からの電気取出しを行う事が出来る。
内側電極と反応するガスは、内側電極ガス供給管１５からガス供給ヘッダー９内部に供給され、更に、セル組立体５の内側電極の電気取出し端子の孔６ｃもしくは外側電極の電気取出し端子の孔７ｃを通って、各セル１の内側に供給される。セルの内側を通過した内側電極ガスは、内側電極の電気取出し端子の孔６ｃもしくは外側電極の電気取出し端子の孔７ｃを通ってガス排出ヘッダー内に排出され、さらに内側電極ガス排出管１６より外部へ排出される。
外側電極と反応するガスは、外側電極ガス供給管１７からガス容器１１内部に供給され、外部に漏洩することなく各セル１の外側を流通し、外側電極ガス排出管１８より外部へ排出される。

本発明の燃料電池は、例えば、以下の方法により作製できる。
セル組立体の電気取出し端子の凸部が挿入可能な孔を設けた一対のヘッダーに、複数のセル組立体の電気取出し端子の凸部を挿入する。ヘッダーと端子との間に絶縁性のシール材を設け、セル組立体の両端をシール固定する。さらに、一対のヘッダーとガス容器の側壁面となる金属板とを溶接やロウ付けにより接続し、気密封止されたガス容器を形成する。ヘッダーの外側に突出した電気取出し端子を接続部材で電気的に接続することで、所定の発電容量をもった燃料電池が作製できる。このような方法で作製した燃料電池では、ガス容器とヘッダーとの境界となる面が一つの部材で形成されている。

以上の構造を採用する事により、内側電極ガス供給管より内側ガスを供給し、外側ガス供給管より外側ガスを供給する事によりセル１で発電反応が発生し、発生した電気は内側及び外側電極の電気取出し端子から、導電部材１２を通り、終端導電部材１４により外部回路と接続する事で所望の電圧、電流の電力を取出す事が出来る。

また、固定用ナット１３を取り外す事により導電部材１２が脱着する事が可能となり、一部のセル１に予期しない不具合が発生した場合でも、当該セル１を除外した電気回路を再構成して再度導電部材１２を取付け、固定用ナット１３で固定する事で燃料電池全体の性能を大きく損なう事無く運転を続行する事が出来る。

また、導電性の材料で形成された電気取出し端子の一部がヘッダーの外側に突出しているので、各セルの内側電極の電気取出し端子の突出部と外側電極の電気取出し端子との突出部に測定端子を当てるだけで、特別な構造を用いることなく、単セル毎の電位が容易にモニターできる。これにより運転中でも簡単安価に全てのセルの状況を把握する事が可能となり、故障予測に役立てる事が出来るようになる。

以上の説明は本発明の好ましい一形態について説明したが、例えば燃料電池の全てのセルをこのような構造にて構成する必要はなく、一部のセルについて採用する事も問題なく実現できる。また明示していない構造について何らかの制限を加えるものでもない。

本発明の燃料電池の発電素子であるセルの構造を示す図である。本発明の燃料電池を構成するセル組立体の構造を示す図である。本発明の燃料電池の一実施形態を示す外観図である。図３の点線にて示した平面で切断した本発明の燃料電池の一実施形態を示す平面断面図である。図３の点線にて示した平面で切断した本発明の燃料電池一実施形態を示すの断面斜視図である。

符号の説明

１…セル
２…内側電極
３…外側電極
４…電解質
５…セル組立体
６…内側電極の電気取出し端子
６ａ…内側電極の電気取出し端子の凸部
６ｂ…内側電極の電気取出し端子の筒状部
７…外側電極の電気取出し端子
７ａ…外側電極の電気取出し端子の凸部
７ｂ…外側電極の電気取出し端子の筒状部
８…突出部
９…ガス供給ヘッダー
１０…ガス排出ヘッダー
１１…ガス容器
１２…導電部材
１３…固定用ナット
１４…終端導電部材
１５…内側電極ガス供給管
１６…内側電極ガス排出管
１７…外側電極ガス供給管
１８…外側電極ガス排出管

Claims

内側電極、電解質、外側電極が順次積層された筒状のセルと、
前記セルの一端に設けられた内側電極の電気取り出し端子と、
前記セルの他端に設けられた外側電極の電気取り出し端子とを備えたセル組立体と、
前記セルの内側へガスを供給する為のガス供給ヘッダーと、
前記セルの内側からガスを排出する為のガス排出ヘッダーと、
前記セルの外側へガスを供給及び排出する為のガス容器とを備え、
前記ガス容器の両端に前記ガス供給ヘッダーと前記ガス排出ヘッダーが対向して配置されており、
複数の前記セル組立体は前記ガス容器と前記ガス供給ヘッダーと前記ガス排出ヘッダーとを貫通した状態で前記ガス容器と前記ガス供給ヘッダーと前記ガス排出ヘッダーにシール固定され、
前記内側電極の電気取り出し端子の少なくとも一部が前記ガス供給ヘッダーまたは前記ガス排出ヘッダーの外側に突出した内側電極の電気取り出し端子の突出部と、
前記外側電極の電気取り出し端子の少なくとも一部が前記ガス供給ヘッダーまたは前記ガス排出ヘッダーの外側に突出した外側電極の電気取り出し端子の突出部とを備えていることを特徴とする燃料電池。
前記内側電極の電気取り出し端子または前記外側電極の電気取り出し端子が、セルを挿入可能な筒状部と、ヘッダーを貫通可能な凸部とを備え、前記凸部にはセルの円筒内部へガスを供給または排出する為の孔を備えたキャップ形状であることを特徴とする請求項１の燃料電池。
隣接する前記内側電極の電気取出し端子の突出部と前記外側電極の電気取出し端子の突出部とが、導電部材により一対一もしくは複数対複数の組合わせで相互に電気的に接続されている事を特徴とする請求項１から２の燃料電池。
前記ガス供給ヘッダー及び前記ガス排出ヘッダーは、前記セル組立体及び前記導電部材と電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項３の燃料電池。
前記内側電極の電気取出し端子の突出部または外側電極の電気取出し端子の突出部にねじ溝が形成されており、前記ねじ溝に固定用ナットを配置した事を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池。