JP2009117088A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】スタックに接続する電圧モニタ用の端子に、ばね性を有する材料を用いた燃料電池では、運転温度が高くなると端子のばね性が劣化して、スタックと電圧モニタ用の端子との間で接触不良が生じる恐れがあった。
【解決手段】複数の電池ユニットＵを積層して成るスタック構造体Ｓと、スタック構造体Ｓを収容する容器Ｖを備えた固体電解質型燃料電池であって、容器Ｖが、その壁部に、個々の電池ユニットＵの電圧モニタ用リードＬを埋設状態で備えると共に、各リードＬが、容器Ｖの壁部内面に、各電池ユニットＵの電圧端子Ｕｔと接続するリード端子Ｌｔを備えており、リード端子Ｌｔと電圧端子Ｕｔの接続状態を磁力により維持する接続維持手段を備えた構成とすることで、高温環境下であっても、スタック構造体Ｓと電圧モニタ用の端子との確実な接続状態を維持できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、電池ユニットを積層して成るスタック構造体と、このスタック構造体を収容する容器を備えた燃料電池であって、各電池ユニットの電圧モニタ機能を備えた固体電解質型の燃料電池の改良に関するものである。

従来、電圧モニタ機能を有する燃料電池としては、複数のセルとセパレータを交互に積層して成るスタックに対して、各セルの電圧測定装置を備えたものがあった。この電圧測定装置は、支持プレートに、セパレータに着脱可能な端子を、弾性変形により相対変位可能に装着した構成を有している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１２４２８５号公報

ところで、上記したような燃料電池は、固体高分子型燃料電池のように運転温度が比較的低い（例えば７０〜１００℃）ものには好適である。しかしながら、固体電解質型（酸化物型）燃料電池のように運転温度が高い（例えば６００〜８００℃）ものでは、スタックに接続する端子としてばね性を有する材料から成る端子を用いると、その高温により端子のばね性が劣化して、スタックと電圧モニタ用の端子との間で接触不良が生じる恐れがあるという問題点があった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであり、電池ユニットを積層したスタック構造体と、このスタック構造体を収容する容器を備えた固体電解質型燃料電池において、スタック構造体と電圧モニタ用の端子との確実な接続状態を維持することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の固体電解質型燃料電池は、複数の電池ユニットを積層して成るスタック構造体と、スタック構造体を収容する容器を備えており、各電池ユニットの電圧モニタ機能を有するものである。

そして、本発明の固体電解質型燃料電池は、容器が、その壁部に、個々の電池ユニットの電圧モニタ用リードを埋設状態で備えると共に、各リードが、容器の壁部内面に、各電池ユニットの電圧端子と接続するリード端子を備えており、リードのリード端子と電池ユニットの電圧端子の接続状態を磁力により維持する接続維持手段を備えたことを特徴としている。

本発明の固体電解質型燃料電池によれば、電池ユニットを積層したスタック構造体と、このスタック構造体を収容する容器を備えた固体電解質型燃料電池において、高温環境下であっても、スタック構造体と電圧モニタ用の端子との確実な接続状態を維持することができる。

以下、図面に基づいて、本発明の固体電解質型燃料電池の実施形態を説明する。

図１〜図３は、本発明の固体電解質型燃料電池の第１実施形態を説明する図である。
固体電解質型燃料電池は、図３に示すように、複数の円盤型の電池ユニットＵを積層して成るスタック構造体Ｓと、このスタック構造体Ｓを収容する円筒形の容器Ｖを備えている。容器Ｖは、スタック構造体Ｓで生じた高熱を遮断する断熱容器であって、詳細な図示を省略したが、有底円筒形の本体部と本体部の開口部を密閉する蓋部を備えている。

電池ユニットＵは、図１に示すように、発電要素である単セル１と、この単セル１を保持するセパレータ板２を備えている。単セル１は、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟持した構造を有する。セパレータ板２は、単セル１の燃料極層に対向して、同燃料極層との間に燃料ガス流路を形成し、この燃料ガス流路内にガス透過性を有する集電体３が収容してある。

また、電池ユニットＵは、その中央部に流路部品４を備えている。この流路部品４は、電池ユニットＵを積層した状態で、中心線に沿って互いに連通する燃料ガス供給管５を形成すると共に、燃料ガス供給管５から電池ユニットＵ内に連通する燃料ガス導入口６を有している。なお、流路部品４は、図示を省略したが、燃料ガス排出部を有すると共に、互いに連通する燃料ガス排出管を形成している。燃料ガスの供給管５や排出管は、図３に示す如く、容器Ｃの外部に延出した各々のパイプＰ１，Ｐ２に連通している。

そして、電池ユニットＵは、複数枚が積層され、この際、単セル１の空気極層と隣接する電池ユニットＵとの間にも集電体７を介装してスタック構造体Ｓを構成している。

上記のスタック構造体Ｓを容器Ｖに収容した固体電解質型燃料電池は、各電池ユニットＵ内に水素を含む燃料ガスを導入して、この燃料ガスを単セル１の燃料極層に供給すると共に、容器Ｖ内に酸化剤ガス（空気）を導入して、この酸化剤ガスを単セル１の空気極層に供給し、単セル１で電気化学反応を生じさせて電気エネルギーを得る。

上記の固体電解質型燃料電池は、スタック構造体Ｓを構成する各電池ユニットＵの電圧モニタ機能を有しており、モニタ結果を利用して最適な運転制御を行うことを可能にしている。

固体電解質型燃料電池は、上記の電圧モニタ用の構成として、容器Ｖの壁部に、個々の電池ユニットＵの電圧モニタ用リードＬを埋設状態で備えている。また、各電池ユニットＵは、その外周部に電圧端子Ｕｔが設けてある。さらに、各リードＬは、容器Ｖの壁部内面に、各電池ユニットＵの電圧端子Ｕｔと夫々接続するリード端子Ｌｔを備えている。そして、固体電解質型燃料電池は、リードＬのリード端子Ｌｔと電池ユニットＵの電圧端子Ｕｔの接続状態を磁力により維持する接続維持手段を備えている。

容器Ｖは、円周状の壁部が、複数の電気絶縁層Ｒを同心状に配置した多層構造になっており、電気絶縁材層Ｒの間にリードＬが埋設してある。各リードＬは、帯状を成すと共に、容器Ｖの軸線方向に沿って配置され、下端部を水平に屈曲して壁部内面のリード端子Ｌｔに接続してある。また、各リードＬは、とくに図３に示すように、容器Ｖの上部に設けた集中コネクタＣに接続してあり、この集中コネクタＣを介して電圧モニタ装置Ｍに接続してある。

ここで、各リードＬ、リード端子Ｌｔ及び電圧端子Ｕｔは、平面円形状である容器Ｖ及びスタック構造体Ｓにおける円周上の同じ位相に設けてある。このため、図１中で右側に示す最内側のリードＬを最上段の電池ユニットＵに接続し、最外側に向けて配列した各リードＬを順次下段の電池ユニットＵに接続する。このように、各リードＬ、リード端子Ｌｔ及び電圧端子Ｕｔを同位相に配置することで、電圧モニタ用の通電経路を１箇所に集約して簡素化したものとしている。

リードＬのリード端子Ｌｔと電池ユニットＵの電圧端子Ｕｔは、互いに係合する凹部と凸部を相対的に有するものとなっていて、この実施形態では、リード端子Ｌｔが凹状を成すと共に、電圧端子Ｕｔが凸状を成している。また、両端子Ｌｔ，Ｕｔは、互いの断面寸法が係脱可能な大きさでほぼ等しく設定してあると共に、凹部の深さＤと凸部の高さ（突出量）Ｈがほぼ等しく設定してある。これにより、両端子Ｌｔ，Ｕｔは、隙間無く係合して、ずれやがたつきを防ぐことができ、確実な係合状態を維持する。

この実施形態の接続維持手段は、リード端子Ｌｔ側及び電圧端子Ｕｔ側のいずれか一方側に設けた永久磁石と、他方側に設けた磁性体（強磁性体）とで構成され、より具体的には、リード端子Ｌｔが永久磁石であると共に、電圧端子Ｕｔが磁性体である。すなわち、この実施形態では、リード端子Ｌｔ及び電圧端子Ｕｔの材料そのものが、互いの接続状態を維持する接続維持手段である。なお、両端子Ｌｔ，Ｕｔにおける永久磁石と磁性体の関係は逆でも良い。

また、上記のリード端子Ｌｔを形成する永久磁石は、硬磁性体であり且つ燃料電池運転温度よりも高いキュリー温度を有する材料から成るものであり、より具体的には、希土類磁石及びアルニコ磁石のいずれかの磁石である。

ここで、例えば、フェライト磁石のキュリー温度は４５０〜４６０℃であり、ネオジウム磁石のキュリー温度は３５０〜４００℃である。また、希土類磁石であるサマコバ（サマリウム・コバルト）磁石のキュリー温度は８００℃であり、アルニコ（アルミニウム・ニッケル・コバルト）磁石のキュリー温度は８５０℃である。

このため、運転温度が６００〜８００℃である固体電解質燃料電池において、端子用の永久磁石として、キュリー温度が低いフェライト磁石やネオジウム磁石を用いると、高温により減磁して保磁力が低下し、両端子Ｌｔ，Ｕｔの接続状態が不安定になる。そこで、この実施形態では、端子用の永久磁石として、キュリー温度が高い希土類磁石やアルニコ磁石を用いることで、熱脱磁が生じ難くなり、両端子Ｌｔ，Ｕｔの接続状態を安定して維持することができる。

上記の固体電解質型燃料電池は、容器Ｖにスタック構造体Ｓを収容すると共に、図４に示すように、各リード端子Ｌｔに電池ユニットＵの電圧端子Ｕｔを係合する。このとき、当該燃料電池では、両端子Ｌｔ，Ｕｔが永久磁石と磁性体であって、互いに係合と同時に吸着するので、位置決め及び組立てが非常に容易であるうえに、両端子Ｌｔ，Ｕｔを確実に接続することができ、作業性が飛躍的に向上する。

また、上記の如く組立てられた当該固体電解質型燃料電池は、容器Ｖの壁部内面と各電池ユニットＵとの間に空気流路８が形成され、夫々の単セル１の空気極層に対して均一に空気（酸化剤ガス）を供給することができる。

さらに、当該固体電解質型燃料電池は、両端子Ｌｔ，Ｕｔが磁力により隙間無く係合しているので、接続面における高温酸化を抑制して、酸化膜によるモニタ電圧の低下を未然に防ぐことができる。

そしてさらに、当該固体電解質型燃料電池は、リード端子Ｌｔを形成する永久磁石の材料を選択したことで、充分な耐熱性が確保され、高温環境下においても、両端子Ｌｔ，Ｕｔの確実な接続状態を維持することができ、良好な電圧モニタ機能を長期にわたって得ることができる。

図４は、本発明の固体電解質型燃料電池の第２実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

先の実施形態では、両端子Ｌｔ，Ｕｔが永久磁石と磁性体であり、これらの材料自体が接続維持手段とした。これに対して、図示の固体電解質型燃料電池は、接続維持手段が、リード端子Ｌｔ側及び電圧端子Ｕｔ側のいずれか一方側に設けた永久磁石１１と、他方側に設けた磁性体１２を備えている。

より具体的には、容器Ｖの壁部内面に、リード端子Ｌｔと永久磁石１１を交互に配列すると共に、スタック構造体Ｓ側に、リード端子Ｌｔに対向する電圧端子Ｕｔと永久磁石１１に対向する磁性体１２を交互に配列した構成になっている。永久磁石１１は、先の実施形態と同様に材料が選択されたものであり、磁性体１２の位置関係を逆にしても良い。

上記の固体電解質型燃料電池にあっても、先の実施形態と同様に、容器Ｖに対する電池ユニットＵ及びスタック構造体Ｓの位置決めや組立てが容易であるうえに、高温環境下においても両端子Ｌｔ，Ｕｔの確実な接続状態を維持することができる。

図５は、本発明の固体電解質型燃料電池の第３実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の固体電解質型燃料電池は、接続維持手段が、リード端子Ｌｔ側に設けた電磁石１３と、電圧端子Ｕｔ側に設けた磁性体を備えたものとなっている。リード端子Ｌｔは、先の実施形態と同様の永久磁石で形成してあり、これに巻回したコイル１４とともに電磁石１３を構成している。電圧端子Ｕｔは、磁性体で形成してあり、電磁石１３に対する鉄心の役割を果たしている。

上記の固体電解質型燃料電池にあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができ、しかも、電磁石１３のＯＮ／ＯＦＦ制御により両端子ＬＴ，Ｕｔの係合離脱を行うことができるので、容器Ｖに対するスタック構造体Ｓの取り付けや取り外しの作業に非常に有効である。

また、上記の如く電磁石を用いる場合は、例えば図４に示す第２実施形態のように、両端子Ｌｔ，Ｕｔとは別の位置に電磁石と磁性体を設けても良い。さらに、電磁石と磁性体の配置関係を逆にすることも可能であるが、図示の如く容器Ｖ側に電磁石１３を配置すれば、多種部品の集合体であるスタック構造体Ｓ側に電磁石を配置するよりも、構造の簡略化を図ることができる。さらに、この実施形態の場合には、スタック構造体Ｓで生じた電気エネルギーを電磁石１３の電源にすることも可能である。

図６は、本発明の固体電解質型燃料電池の第４実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の固体電解質型燃料電池は、容器Ｖの壁部内面と、スタック構造体Ｓにおける各電池ユニットＵとの間にシート状の断熱体１５を設けた構造になっている。

上記の固体電解質型燃料電池にあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、スタック構造体Ｓから容器Ｖ側への熱伝導量を軽減させて、両端子Ｌｔ，Ｕｔによる接続部分の温度上昇を抑制することができる。

図７は、本発明の固体電解質型燃料電池の第５実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の固体電解質型燃料電池は、容器Ｖの壁部に、リード端子Ｌｔの冷却手段として冷却流体用流路１６を備えている。冷却流体用流路１６は、容器Ｖの壁部において、リード端子Ｌｔと交互に配置してあり、冷却用流体として例えば空気を流通させる。

上記の固体電解質型燃料電池にあっても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、両端子Ｌｔ，Ｕｔによる接続部分の温度を低下又は温度上昇を抑制す

図６に示す第４実施形態の固体電解質型燃料電池、及び図７に示す第５実施形態の固体電解質型燃料電池では、リード端子Ｌｔや電圧端子Ｕｔにキュリー温度の高い硬磁性材を使用した場合でも、電池ユニットＵの発電状況によって運転温度が設定温度よりも高くなる場合がある。そこで、容器Ｖの壁部内面と各電池ユニットＵとの間に断熱体１５を設けたり、容器Ｖの壁部にリード端子Ｌｔの冷却手段（冷却流体用流路１６）を設けたりすることで、両端子Ｌｔ，Ｕｔによる接続部分の温度をその材料のキュリー温度以下に抑制又は低下させ、永久磁石の減磁を未然に防止する。これにより、高温環境下においても、両端氏Ｌｔ，Ｕｔの接続状態をより確実に維持することができる。

図８は、本発明の固体電解質型燃料電池の第６実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の固体電解質型燃料電池は、各電池ユニットＵの電圧端子Ｕｔが、絶縁材１７と交互に連結して端子ユニットＴｕを形成しており、とくに図８（ｂ）に示すように、端子ユニットＴｕが、スタック構造体Ｓの各電池ユニットＵに対して着脱可能な構成になっている。端子ユニットＴｕは、スタック構造体Ｓに装着した状態で、個々の電池ユニットＵと電圧端子Ｕｔが夫々電気的に接続状態となる。

上記の固体電解質型燃料電池は、組立て作業性のさらなる向上を実現する。すなわち、スタック構造体Ｓに対して端子ユニットＴｕを装着するだけで、複数の電圧端子Ｕｔの位置決め及び組み付けが完了する。そして、端子ユニットＴｕを装着したスタック構造体Ｓを容器Ｖに収容すれば、先の各実施形態と同様に、リード端子Ｌｔと電圧端子Ｕｔの接続が確実に成されることとなり、高温環境下においても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

図９は、本発明の固体電解質型燃料電池の第７実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図９は、固体電解質型燃料電池の要部、すなわちリード端子Ｌｔと電圧端子Ｕｔの接続部分を示しており、この実施形態では、各燃料電池ユニットＵにおいて、電圧端子Ｕｔが、リード端子Ｌｔに向けて突没自在に設けてある。なお、リード端子Ｌｔ及び電圧端子Ｕｔは、先の実施形態と同様に、いずれか一方が永久磁石で且つ他方が磁性体である。

より具体的には、この実施形態の電圧端子Ｕｔは、基盤部１８ａと凸部１８ｂを有するものとなっている。これに対して、電池ユニットＵは、外周部に、収納部１９が設けてあり、この収納部１９に、電圧端子Ｕｔが半径方向に往復動自在に収納してある。また、収納部１９のユニット外周側には、移動した電圧端子Ｕｔが脱落しないように、電圧端子Ｕｔの凸部１８ｂのみを通過させる開口部１９ａを有している。

さらに、この実施形態のリード端子Ｌｔ及び電圧端子Ｕｔは、いずれか一方が永久磁石で形成してあると共に、他方が磁性体で形成してある。

上記の固体電解質型燃料電池は、組立て作業性のさらなる向上を実現する。すなわち、図中上段の電池ユニットＵに示すように、電圧端子Ｕｔを収納部１９に没入状態にして、電池ユニットＵ又はスタック構造体Ｓを容器Ｖに収容する。その後、電池ユニットＵ又はスタック構造体Ｓが所定位置にセットされると、電圧端子Ｌｔがリード端子Ｌｔ側に吸引されて収納部１９から突出し、これと同時に両端子Ｌｔ，Ｕｔが互いに係合して接続状態となる。

このように、容器Ｖに電池ユニットＵ又はスタック構造体Ｓを収容すると同時に、両端子Ｌｔ，Ｕｔの接続を簡単に行うことができ、高温環境下においても、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

また、上記の如く各燃料電池ユニットＵにおいて、リード端子Ｌｔに向けて電圧端子Ｕｔを突没自在に設ける構成にすれば、容器Ｖとスタック構造体Ｓとの隙間を最小限にすることができる。すなわち、容器Ｖの内径に対して電池ユニットＵの外径を最大限にすることができ、換言すれば、電池ユニットＵの外形に対して容器Ｖの内径を最小限にすることができるので、当該燃料電池の小型化又は発電容量の向上に貢献することができる。

なお、本発明の固体電解質型燃料電池は、その構成が上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。例えば、リード端子と電圧端子との凹凸関係を逆にしたり、永久磁石や電磁石とこれに吸引される磁性体（磁石も含む）との関係を逆にしたりすることができ、各構成部位の形状や数及び材質等も変更することができる。

本発明の固体電解質型燃料電池の第１実施形態を説明する端子接続前の断面図である。 図１に示す固体電解質型燃料電池の端子接続後の断面図である。 図１に示す固体電解質型燃料電池の全体を説明する斜視図である。 本発明の固体電解質型燃料電池の第２実施形態を説明する断面図である。 本発明の固体電解質型燃料電池の第３実施形態を説明する断面図である。 本発明の固体電解質型燃料電池の第４実施形態を説明する断面図である。 本発明の固体電解質型燃料電池の第５実施形態を説明する断面図である。 本発明の固体電解質型燃料電池の第６実施形態を説明する断面図（ａ）及び端子ユニットを外した状態を説明する断面図（ｂ）である。 本発明の固体電解質型燃料電池の第７実施形態を説明する断面図である。

符号の説明

１ 単セル
２ セパレータ板
３ 集電体（燃料極層側）
４ 流路部品
５ 燃料ガス供給管
６ 燃料ガス導入口
７ 集電体（空気極側）
８ 空気流路
１１ 永久磁石（接続維持手段）
１２ 磁性体（接続維持手段）
１３ 電磁石（接続維持手段）
１４ コイル
１５ 断熱体
１６ 冷却流体用流路（冷却手段）
１７ 絶縁材
１８ａ 基盤部
１８ｂ 凸部
１９ 収納部
１９ａ 開口部
Ｃ 集中コネクタ
Ｄ 凹部深さ
Ｈ 凸部高さ
Ｌ リード
Ｌｔ リード端子
Ｍ 電圧モニタ装置
Ｐ１Ｐ２ パイプ
Ｒ 電気絶縁層
Ｓ スタック構造体
Ｔｕ 端子ユニット
Ｕ 電池ユニット
Ｕｔ 電圧端子
Ｖ 容器

Claims (13)

1. 複数の電池ユニットを積層して成るスタック構造体と、スタック構造体を収容する容器を備えた固体電解質型燃料電池であって、
   容器が、その壁部に、個々の電池ユニットの電圧モニタ用リードを埋設状態で備えると共に、各リードが、容器の壁部内面に、各電池ユニットの電圧端子と接続するリード端子を備えており、
   リードのリード端子と電池ユニットの電圧端子の接続状態を磁力により維持する接続維持手段を備えていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 接続維持手段が、リード端子側及び電圧端子側のいずれか一方側に設けた永久磁石と、他方側に設けた磁性体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. リード端子及び電圧端子のいずれか一方が永久磁石であると共に、他方が磁性体であることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 接続維持手段が、リード端子側に設けた電磁石と、電圧端子側に設けた磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 永久磁石が、硬磁性体であり且つ燃料電池運転温度よりも高いキュリー温度を有する材料から成ることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体電解質型燃料電池。
6. 永久磁石が、希土類磁石及びアルニコ磁石のいずれかの磁石であることを特徴とする請求項５に記載の固体電解質型燃料電池。
7. 容器の壁部内面と各電池ユニットとの間に空気流路を形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
8. 容器の壁部内面と各電池ユニットとの間に断熱体を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
9. 容器の壁部に、リード端子の冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
10. リードのリード端子及び電池ユニットの電圧端子が、互いに係合する凹部及び凸部を相対的に有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
11. 各電池ユニットの電圧端子が、絶縁材と交互に連結して端子ユニットを形成しており、端子ユニットが、スタック構造体の各電池ユニットに対して着脱可能であることを特徴とする１０に記載の固体電解質型燃料電池。
12. 各燃料電池ユニットにおいて、電圧端子が、リード端子に向けて突没自在に設けてあることを特徴とする請求項１０に記載の固体電解質型燃料電池。
13. 容器の外部に、各リードを接続する集中コネクタと、集中コネクタに接続される電圧モニタ装置を備えたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。

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