JP2009289435A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流出力部材と電流ケーブルとの接続の安定性を確保可能な固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池システムが，燃料電池スタックと，前記燃料電池スタックと接続された一端と，ネジ加工された他端と，を有する丸棒状の電流出力部材と，前記他端に接続される端子と，前記端子に接続される電流ケーブルと，を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は，固体酸化物形燃料電池を含む固体酸化物形燃料電池システムに関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は，複数枚の燃料電池セルを積み重ねて（スタック）構成され，大きな電力の出力が可能である。このとき，燃料電池セル全体を挟み込んでいるエンドプレートが燃料電池の両極となる。この両極からの電流の取り出しに関わる技術が開示されている（特許文献１〜３参照）。特許文献１の技術では，エンドプレートと金属容器とをボルトで締結して電気的に接続している。また，特許文献２の技術では，エンドプレートの端部を帯状に伸ばした金属板を電流線とし，その先端を端子としている。特許文献３の技術では，耐酸化性を有する導電部材と電気伝導に優れた芯材とから出力部材を構成している。

特開２００６−１７９２８８ 特開２００７−２５０２８１ 特開２００６−２２５８９１

ここで，固体酸化物形燃料電池において，電流出力部材と電流ケーブルの接続の安定性を確保するのは困難である。例えば，端子（ターミナル）を用いて，丸棒形状の電流出力部材と電流ケーブルを接続した場合，固体酸化物形燃料電池が高温（例えば，７００℃）となることから，電流出力部材とターミナルの接続箇所も高温となり，長時間の運転や熱サイクルで接続が徐々に緩む可能性が高い。一方，丸棒形状の電流出力部材の先端を平面加工することが考えられる。しかし，この方法では径が小さい丸棒を使用したい場合，接触面積が広く取れないために確実な接続が困難となる。
上記に鑑み，本発明は電流出力部材と電流ケーブルとの接続の安定性を確保可能な固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る固体酸化物形燃料電池システムは，燃料極および空気極が両面に配置された酸素イオン伝導性固体電解質体が積層され，燃料ガスと酸素との反応により電力を発生する燃料電池スタックと，前記燃料電池スタックと接続された一端と，ネジ加工された他端と，を有する丸棒状の電流出力部材と，前記他端に接続される端子と，前記端子に接続される電流ケーブルと，を具備することを特徴とする。

電流出力部材にねじ加工を施すことで，電流ケーブル用の端子との接続が容易となる。例えば，電流出力部材のねじ加工部に２個のナットをねじ込み，該２個のナットの間に端子を挟み込むことで，電流出力部材と端子とを接続できる。
電流出力部材のねじ加工部と端子との接続には，例えば，次のａ，ｂのような方法をも利用できる。
ａ．端子に雌ねじを形成し（タップ加工），電流出力部材のねじ加工部にねじ込む。
ｂ．電流出力部材の端部をボルト頭形状とし，１個のナットで，電流出力部材と端子とを接続する。

また，電流ケーブルの端子を丸型またはＹ型形状とすることが望ましい。そうすることで電流出力部材との接続が容易となる。電流ケーブルと端子間の接続には，圧着，半田付け，ボルト締めなど公知の方法を使用できる。

（１）固体酸化物形燃料電池システムが，前記燃料電池スタックを格納する断熱容器をさらに具備し，前記電流出力部材と，前記端子との接続箇所が前記断熱容器の外側に配置されても良い。断熱容器の外側は燃料電池スタックより温度が低いので，電流ケーブルの被覆材などに使用できる材質の選択が広がる。

なお，断熱容器の外側で，電流出力部材と端子を接続するために，電流出力部材の先端が燃料電池スタックのエンドプレートに直接接続されているのが望ましい。電流線の接続箇所が少なくなり接触抵抗を低減できる。

（２）前記電流出力部材が，Ｃｕを主成分とするコア部と，Ｎｉを主成分とし，このコア部を被覆するクラッド部を有しても良い。芯材（コア部）がＣｕを主成分とするので電気抵抗が小さく，被覆材（クラッド部）がＮｉを主成分とするので耐酸化性が向上する。コア部の径はφ５〜１５ｍｍであることが望ましい。径が小さいと電気抵抗が大きくなり，径が大きいと燃料電池スタックからの放熱が大きくなる。

（３）前記電流ケーブルが，フレキシブルケーブルであっても良い。フレキシブルケーブルは，システム内を自由に配線できるので，システムの小型化ができたり，組み付け作業が容易となったりする。

本発明によれば，電流出力部材と電流ケーブルとの接続の安定性を確保可能な固体酸化物形燃料電池システムを提供できる。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１００を表す側面図である。固体酸化物形燃料電池システム１００は，燃料ガスと空気の供給を受けて発電を行う装置である。燃料ガスとして，都市ガスなどの炭化水素燃料を用いることができる。固体酸化物形燃料電池システム１００は，燃料電池スタック１１０，電流出力部材１２１，端子１３０，電流ケーブル１５１，断熱容器１７０を有する。なお，燃料ガス，空気，および排ガスの配管の図示が省略されている。

燃料電池スタック１１０は，積層された燃料電池セル１１１，エンドプレート１１２，１１３を有する。燃料電池セル１１１は，板形状をなし，発電単位である。本実施形態では，燃料電池スタック１１０に発電に必要な量よりも多くの燃料ガスが投入され，余った燃料ガスは燃料電池スタック１１０の内部で燃焼される。

図２は，燃料電池セル１１１を分解した状態を表す斜視図である。燃料電池セル１１１は，コネクタプレート４１（４１ａ，４１ｂ），空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３，セパレータ４４，空気極４５，電解質４６，燃料極４７，燃料極フレーム４８を有する。

コネクタプレート４１ａ，４１ｂは，金属等の導電性材料から構成され，燃料電池セル１１１の厚み方向の両側に一対配置される。コネクタプレート４１により，燃料電池セル１１１それぞれのガス流路が分離され，かつ板厚方向での導通が確保される。

隣り合う燃料電池セル１１１の間に配置されるコネクタプレート４１は，インターコネクタとなり，隣り合う燃料電池セル１１１を区分する。燃料電池スタック１１０の積層方向の両端に配置されるコネクタプレート４１が，エンドプレート１１２，１１３となる。

電解質４６は，矩形の板形状であり，例えば，ＺｒＯ_２等の酸化物から構成され，セパレータ４４の下面に固定される。電解質４６は，酸素イオン伝導性固体電解質体として機能する。電解質４６の上下に，空気極４５および燃料極４７が固着される。空気極４５とコネクタプレート４１ａとの間には，その導通を確保するために，集電体（図示せず）が配置される。

コネクタプレート４１ａ，空気極フレーム４２，絶縁フレーム４３によって，セパレータ４４の上方に空気室が構成される。燃料極フレーム４８，コネクタプレート４１ｂによって，セパレータ４４の下方に燃料室が構成される。燃料室，空気室それぞれに，燃料ガス，空気が導入され，高温（例えば，７００℃程度）に加熱されることで，電解質４６を介して，燃料ガスと空気中の酸素が反応し，空気極４５，燃料極４７をそれぞれ正極，負極とする直流の電気エネルギーが発生する。

断熱容器１７０は，断熱性能を有した容器であり，燃料電池スタック１１０を格納する。電流出力部材１２１は，断熱容器１７０を貫通して配置される。

図３は，エンドプレート１１２，電流出力部材１２１，端子１３０，電流ケーブル１５１の拡大図である。なお，端子１３０の一部（カシメ部１３２）は切断した状態を表している。

エンドプレート１１２，１１３は，耐熱性及び導電性に優れた板材（例えばステンレス製の板材）から構成される。エンドプレート１１２，１１３は，積層される燃料電池セル１１１を押圧する保持板であり，かつ燃料電池スタック１１０からの電流の出力端子でもある。エンドプレート１１２，１１３を介し，燃料電池スタック１１０を積層方向に貫く固定部材１１４，１１５により，燃料電池セル１１１が締め付けられて固定，一体化されることで，燃料電池スタック１１０が構成される。この固定部材１１４，１１５は，例えば，ボルト及びそれに螺合するナット等であり，燃料電池スタック１１０の枠部にあけられた貫通孔を貫く様に配置される。なお，本実施形態では，エンドプレート１１２，１１３がそれぞれ正極，負極となる。

電流出力部材１２１は，燃料電池スタック１１０から電力を取り出すための部材である。電流出力部材１２１は，外形が丸棒状であり，この丸棒の軸に沿って配置されるコア部（芯材）と，コア部の外周を被覆するクラッド部（被覆材）とを有する（図示せず）。コア部，クラッド部はそれぞれ，Ｃｕ，Ｎｉを主成分とする材料で構成される。コア部の主成分を電気伝導性が良好なＣｕとすることで，電流出力部材１２１での電気抵抗の低減が図られる。また，クラッド部の主成分をＮｉとすることで，電流出力部材１２１の耐酸化性の向上が図られる。

コア部の径は，例えば，φ１０である。コア部の径は，φ５〜１５ｍｍの範囲であることが望ましい。径が小さいと電気抵抗が大きくなり，径が大きいと燃料電池スタックからの放熱が大きくなる。クラッド部は，コア部の酸化防止のためのものなので，それほどの厚さを要せず，電流出力部材１２１の外径に与える影響は小さいので，ねじ加工を施してもコア部が露出しない厚さであればよい。

エンドプレート１１２，１１３それぞれに，丸棒状の電流出力部材１２１が接続される。エンドプレート１１２，１１３の右側面に，雌ねじのねじ孔が形成される（図示せず）。一方，エンドプレート１１２，１１３に接続される電流出力部材１２１の左端部の外周には，雄ねじのねじ部が形成されている（図示せず）。この雄ねじと雌ねじの螺合により，エンドプレート１１２，１１３と電流出力部材１２１とが接続される。

電流出力部材１２１の端部に，例えば，Ｍ１０でねじ加工されたねじ加工部１２２が配置される。ねじ加工部１２２に端子１３０が接続される。端子１３０は，端子部１３１，カシメ部１３２を有する。端子部１３１は，略平板形状で，丸穴を有する。端子部１３１の丸穴を電流出力部材１２１が貫通し，端子部１３１の表裏がナット１４１，１４２に挟まれ，固定される。カシメ部１３２は，略円筒形状であり，電流ケーブル１５１の一端が挿入される。カシメ部１３２により電流ケーブル１５１が圧着，固定される。即ち，端子１３０は，丸形の圧着端子である。電流ケーブル１５１には，通常，直流を交流に変換するためのＤＣ−ＤＣコンバータやインバータといった各種の装置が接続される。

なお，端子１３０に圧着端子以外の端子を利用することもできる。即ち，電流ケーブル１５１と端子間の接続には，圧着，半田付け，ボルト締めなど公知の方法一般を使用できる。

電流出力部材１２１，端子１３０，電流ケーブル１５１は低抵抗で安定的に接続される。即ち，電流出力部材１２１と端子１３０の接触抵抗は低く，長時間の運転でも，接続が緩んで接触抵抗が増大することが防止される。

（第２の実施の形態）
図４は，図３に対応し，本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム２００のエンドプレート１１２，電流出力部材１２１，端子２３０，電流ケーブル２５１の拡大図である。固体酸化物形燃料電池システム２００の他の構成は，第１の実施形態と同様なので，図示を省略している。

本実施形態では，電流ケーブル２５１はフレキシブルケーブルである。
端子２３０は，端子部１３１，接続部２３２を有する。端子部１３１は，第１の実施形態と同様に，略平板形状で，丸穴を有し，ナット１４１，１４２によって電流出力部材１２１に固定される。接続部２３２は，略平板形状で，丸穴を有し，ボルト２３３，ナット２３４によって電流ケーブル２５１と接続される。

なお，端子部１３１を丸穴形状（閉鎖型）から，Ｙ形状（開放型）としても良い。端子部１３１を開放型とすることで，端子２３０と電流ケーブル２５１の接続が簡便となる。

電流出力部材１２１，端子２３０，電流ケーブル２５１は低抵抗で安定的に接続される。即ち，電流出力部材１２１と端子１３０の接触抵抗は低く，長時間の運転でも，接続が緩んで接触抵抗が増大することが防止される。

以上の点を除き，本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム２００は，固体酸化物形燃料電池システム１００と実質的に相違する訳ではないので，詳細な説明を省略する。

（第３の実施の形態）
図５は，図３に対応し，本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム３００のエンドプレート１１２，電流出力部材１２１，端子３３０，電流ケーブル１５１の拡大図である。固体酸化物形燃料電池システム３００の他の構成は，第１の実施形態と同様なので，図示を省略している。

端子３３０は，タップ部３３１，カシメ部３３２を有する。タップ部３３１は略円筒形状を有し，その内径に例えば，Ｍ１０の雌ネジが形成される。電流出力部材１２１のねじ加工部１２２（雄ネジ）に，タップ部３３１の雌ネジをねじ込むことで，電流出力部材１２１と端子３３０とが接続される。カシメ部３３２は，略円筒形状であり，電流ケーブル１５１の一端が挿入される。カシメ部１３２により電流ケーブル１５１が圧着，固定される。即ち，端子３３０は，タップ付きの圧着端子である。電流ケーブル１５１の他端に圧着端子３５２が圧着（カシメ）により接続される。

以上の点を除き，本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム３００は，固体酸化物形燃料電池システム１００と実質的に相違する訳ではないので，詳細な説明を省略する。

（第４の実施の形態）
図６は，図３に対応し，本発明の第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム４００のエンドプレート１１２，電流出力部材４２１，端子１３０，電流ケーブル１５１の拡大図である。固体酸化物形燃料電池システム４００の他の構成は，第１の実施形態と同様なので，図示を省略している。

電流出力部材４２１は，第１の実施形態と同様に，外形が例えば，φ１０の丸棒状であり，この丸棒の軸に沿って配置されるコア部と，コア部の外周を被覆するクラッド部とを有する（図示せず）。コア部，クラッド部はそれぞれ，Ｃｕ，Ｎｉを主成分とする材料で構成される。

電流出力部材４２１は，全体として，ボルト形状であり，軸部４２３，頭部４２４を有する。軸部４２３に雄ネジが形成される。軸部４２３にナット４４１が配置され，ナット４４１と頭部４２４の間に端子１３０（端子部１３１）が挟まれ，固定される。

以上の点を除き，本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム４００は，固体酸化物形燃料電池システム１００と実質的に相違する訳ではないので，詳細な説明を省略する。

（比較例１）
図７は，本発明の比較例１に係る固体酸化物形燃料電池システム１００ｘのエンドプレート１１２，電流出力部材１２１ｘ，端子１３０ｘ，電流ケーブル１５１ｘの拡大図である。電流出力部材１２１ｘは，厚さ２ｍｍ，幅１０ｍｍの帯状のステンレス板である。電流出力部材１２１ｘの端部に例えば，φ６の丸穴が形成される。この丸穴に，丸穴形状の端子１３０ｘをＭ５のボルトとナットにより接続する。電流ケーブル１５１ｘはフレキシブルケーブルであり，端子１３０ｘとＭ５のボルトとナットにより接続する。

電流出力部材１２１ｘと，端子１３０ｘ間に応力がかかりやすい構造であるため接触抵抗が比較的高くなり易い。またＭ５ボルトでは強い締結が困難であり，接続部に緩みが生じやすく，Ｍ１０ボルトなどを用いる場合には，そのための丸穴が大きくなるため，接続部を大きくする必要がある。

（比較例２）
図８は，本発明の比較例２に係る固体酸化物形燃料電池システム１００ｙのエンドプレート１１２，電流出力部材１２１ｙ，端子１３０ｘ，電流ケーブル１５１ｘの拡大図である。電流出力部材１２１ｙは，外形がφ１０の棒状であり，コア部，クラッド部の２重構造を有する。電流出力部材１２１ｙの先端部１２２ｙが平板状に加工され，例えば，φ６の丸穴が形成される。この丸穴に，丸穴形状の端子１３０ｘをＭ５のボルトとナットにより接続する。

この構造においても，電流出力部材１２１ｙと，端子１３０ｘ間に応力がかかりやすい構造であるため接触抵抗が比較的高くなり易い。またＭ５ボルトでは強い締結が困難であり，接続部に緩みが生じやすく，Ｍ１０ボルトなどを用いる場合には，そのための丸穴が大きくなるため，接続部を大きくする必要がある。

以上のように，上記実施形態では，電流出力部材をねじ加工が施された，丸棒形状とし，電流出力部材に雌ネジを形成することで，端子との接続の安定性を確保した。そうすることで，電流出力部材と端子とが確実に接続され，接触抵抗が低いため，伝送ロスが小さくなり，システムとしての発電効率を向上できる。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１００を表す側面図である。 燃料電池セル１１１を分解した状態を表す斜視図である。 固体酸化物形燃料電池システム１００の一部の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム２００の一部の拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム３００の一部の拡大図である。 本発明の第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム４００の一部の拡大図である。 本発明の比較例１に係る固体酸化物形燃料電池システム１００ｘの一部の拡大図である。 本発明の比較例２に係る固体酸化物形燃料電池システム１００ｙの一部の拡大図である。

符号の説明

１００ 固体酸化物形燃料電池システム
１１０ 燃料電池スタック
１１１ 燃料電池セル
１１２，１１３ エンドプレート
１１４，１１５ 固定部材
１２１ 電流出力部材
１２２ ねじ加工部
１３０ 端子
１３１ 端子部
１３２ カシメ部
１４１，１４２ ナット
１５１ 電流ケーブル
１７０ 断熱容器

Claims (4)

1. 燃料極および空気極が両面に配置された酸素イオン伝導性固体電解質体が積層され，燃料ガスと酸素の反応により電力を発生する燃料電池スタックと，
   前記燃料電池スタックと接続された一端と，ネジ加工された他端と，を有する丸棒状の電流出力部材と，
   前記他端に接続される端子と，
   前記端子に接続される電流ケーブルと，
   を具備することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックを格納する断熱容器をさらに具備し，
   前記電流出力部材と，前記端子との接続箇所が前記断熱容器の外側に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記電流出力部材が，Ｃｕを主成分とするコア部と，Ｎｉを主成分とし，このコア部を被覆するクラッド部を有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記電流ケーブルが，フレキシブルケーブルである
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池システム。

Images