JP2010238435A

JP2010238435A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2010238435A
Application number: JP2009083261A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】燃料電池スタックのセパレータと熱電対との間の短絡を防止することにより、過電流を起因とする発電セルの電極性能および燃料電池スタックの発電出力の低下を防止することが可能な燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】缶体２のシース熱電対４の貫通部に、金属チューブ１９との接触部が電気絶縁性部材２８によって構成されるとともに、燃料電池スタック３から排出される排ガスの缶体２外への漏洩を防止するシーリング部材２７を設ける。且つ、シース熱電対の一端部側の金属チューブ１９の外面の全面に電気絶縁性ペースト２３を塗布するとともに、シース熱電対４の一端部に電気絶縁性の第１保護管２４および第２保護管２５を、シース熱電対４の金属チューブ１９と第１保護管２４との間および第１保護管２４と第２保護管２５との間に、隙間３０を設けて装着する。
【選択図】図２

Description

本発明は、缶体の内部に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの上記セパレータに、測温用の熱電対を配した燃料電池モジュールに関するものであり、特に燃料電池スタックと熱電対との短絡に起因する燃料電池スタックの発電出力および発電セルの電極性能の低下を防止することが可能な燃料電池モジュールに関するものである。

一般的に、燃料電池モジュールは、複数枚のセラミックからなる発電セルと、ＳＵＳ等の金属製のセパレータとを交互に複数積層した燃料電池スタックを、断熱材によって覆われた箱形の缶体の内部に収納することにより構成されている。

この種の燃料電池モジュールにおいては、燃料電池スタックの発電効率や、起動時あるいは停止時における上記発電セルの割れを防止する観点から、上記燃料電池スタックの発電セルの温度をきめ細かく管理することが重要視されつつある。

ところが、上記発電セルは、極薄の板状に形成されたものであるために、直接当該発電セルの温度を測定することができない。このため、従来の燃料電池モジュールにおいては、複数の当該発電セルに積層された金属製のセパレータに、それぞれ熱電対を設けることにより、発電セルの温度を管理する方法が採用されている。

ここで、上記セパレータに熱電対を設ける構造としては、発電セルの内部における温度を正確に測定するために、通常セパレータの外周から中心に向けて熱電対挿入孔を穿設し、
この熱電対挿入孔にシース熱電対を挿入する構造が採用されている。このシース熱電対は、金属チューブ内に絶縁材を介して、一対の互いに異なる熱電能を有する熱電体素線を配したものである。

一方、上記セパレータは、発電セル間を積層方向に電気的に接続して、発電反応で生じた起電力を外部に取り出すものであり、シース熱電対を挿入するに際しては、上記セパレータと電気的に絶縁する必要がある。このため、上記シース熱電対を電気絶縁性を有するセラミックからなる第１の保護管内に挿入して、当該第１の保護管をセパレータの熱電対挿入孔内に挿入することにより、両者間の絶縁性を確保している。

他方、シース熱電対は、缶体を貫通して外部の測定器に接続されるものであるために、上記缶体における貫通部に、金属製のシーリング部材を介装して、強く締め付けることにより、缶体内の排ガスの漏洩を防止している。

ところで、以上の構成からなる燃料電池モジュールは、燃料電池スタックの発電セルにおける発電反応により所定の電力を得ており、且つ上記燃料電池モジュールを支えている架台、上記缶体、上記缶体のシーリング部材および上記シース熱電対の上記金属チューブの全てが金属で構成されて、互いに接続されていることから、上記架台を介して燃料電池スタックのマイナス線をアースに採ると、電気的に接続された缶体及び上記シース熱電対の金属チューブもアース電位を有することになる。

即ち、仮に、燃料電池モジュールからのＤＣ電圧が５００Ｖである場合、上記燃料電池スタックのセパレータと上記シース熱電対との間に５００Ｖの電位差が生じることになる。

一方、上記燃料電池モジュールの缶体内は、上記燃料電池スタックの発電反応により生成される排ガスの一部として多量の水蒸気が存在しているために、上記第１の保護管により上記セパレータと上記金属チューブとの間を絶縁しているにもかかわらず、上記水蒸気を介してセパレータと上記シース熱電対の金属チューブとの間の電位差により放電が生じ、この結果、セパレータと金属チューブとの間が短絡してしまうという恐れがあった。

また、水蒸気を介した放電による短絡以外にも、燃料電池モジュールの缶体内が高温多湿雰囲気であることと、上記セパレータと金属チューブ間の電位差が生じていることに起因して、陽極であるセパレータの界面に水が吸着して電離し、被覆しためっきの成分であるＡｇやセパレータの成分であるＣｒやＦｅがイオンとなって上記セパレータの界面に溶出する。すると、該イオンが、上記セパレータの界面から金属チューブの外面へと、上記第１の保護管のセラミックスの多結晶の結晶粒界を介して移行する。そして、陰極である上記金属チューブの外面において、該イオンが還元されて金属となって析出するマイグレーションが生じ、この結果、上記セパレータとシース熱電対との間が電気的に導通して短絡してしまう恐れがあった。

そして、このように、上記セパレータとシース熱電対との間が短絡すると、燃料電池スタックの端部に位置する外部に電子を取り出すセパレータからシース熱電対と短絡したセパレータ方向へと電流が逆流することから、該両セパレータとの間の上記発電セルに過電流が流れるために、上記発電セルの電極性能が極端に低下してしまうという問題点があり、また、上記発電セルに過電流が流れることにより発電セルが急激な発熱を招き、熱応力により固定電解質層が割れて発電出力が極端に低下してしまうという問題点があった。

本発明は、従来技術の問題点を解決すべくなされたもので、上記燃料電池スタックのセパレータとシース熱電対との間の短絡を防止することにより、過電流を起因とする上記発電セルの電極性能および上記燃料電池スタックの発電出力の低下を防止することが可能な燃料電池モジュールを提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、箱形の缶体の内部に、発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成される燃料電池スタックを配してなり、且つ上記セパレータの外周部に穿設された挿入孔に、金属チューブ内に絶縁材を介して一対の熱電体素線を配して構成されたシース熱電対の一端部を、電気絶縁性を有する第１保護管を外装して挿入するとともに、上記シース熱電対の他端部を、上記缶体を介して缶体外の起電力測定器に接続した燃料電池モジュールにおいて、上記缶体の上記シース熱電対の貫通部に、上記金属チューブとの接触部が電気絶縁性部材によって構成されるとともに、燃料電池スタックから排出される排ガスの缶体外への漏洩を防止するシーリング部材を設けたことを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の本発明は、上記第１の保護管の外周部に、電気絶縁性を有する第２の保護管を装着したことを特徴とするものである。

そして、請求項３に記載の本発明は、上記シース熱電対の一端部側において、上記金属チューブの外面の全面に、電気絶縁性ペーストを塗布したことを特徴とするものである。

さらに、請求項４に記載の本発明は、上記金属チューブと上記第１の保護管との間および上記第１の保護管と上記第２の保護管との間に、隙間を設けたことを特徴とするものである。

請求項１に記載の本発明によれば、上記缶体の上記シース熱電対の貫通部に、上記シース熱電対の金属チューブとの接触部が電気絶縁性部材によって構成されたシーリング部材を設けているために、上記架台を介して上記燃料電池スタックのマイナス線をアースに採ることにより、缶体がアース電位となっても、上記金属チューブがアース電位を有することがなくなる。これにより、上記燃料電池スタックのセパレータとシース熱電対との間の放電による短絡を防止することが可能となり、この結果、過電流を起因とする発電セルの電極性能および燃料電池スタックの発電出力の低下を防止することが可能となる。

そして、請求項２に記載の本発明によれば、上記第１の保護管の外周部に、電気絶縁性を有する上記第２の保護管を外装しているために、上記第２保護管を介して上記燃料電池スタックのセパレータの界面と上記第２の保護管の内面との間にマイグレーションが生じても、さらに上記第１の保護管を介して上記セパレータの界面と上記シース熱電対の金属チューブの外面との間がマイグレーションにより導通することを抑制することが可能である。この結果、上記セパレータとシース熱電対との間の短絡を確実に防止することが可能となる。

また、請求項３に記載の本発明によれば、上記シース熱電対の一端部側において、上記金属チューブの外面の全面に、電気絶縁性ペーストを塗布しているために、上記燃料電池スタックのセパレータとシース熱電対との絶縁性が向上する。

さらに、請求項４に記載の本発明によれば、上記シース熱電対の金属チューブと上記第１の保護管との間、および上記第１の保護管と上記第２の保護管との間に、隙間を設けているために、上記燃料電池スタックのセパレータの界面と上記金属チューブの外面との間がマイグレーションにより導通することを確実に防止することが可能となり、且つ上記セパレータとシース熱電対との絶縁性が一段と向上する。

本発明に係る燃料電池モジュールの全体を示す縦断面図である図１のＡ部の拡大断面図である。図２のIII−III線視断面図である。図１のシース熱電対に導電ペーストを塗布した状態を示す断面図である。図１のＢ部の拡大断面図である。

本実施形態の燃料電池モジュールは、図１に示すように、金属製の架台１上に配された箱形の缶体２の内部に、燃料電池スタック３を配するとともに、架台１を介して燃料電池スタック３のマイナス線３１をアースに採り、且つ燃料電池スタック３にシース熱電対４の一端部を接続するとともに、シース熱電対の他端部を缶体２のシーリング部材２７を貫通させて缶体２外の起電力測定器５に接続することにより概略構成されている。なお、図１においては、シース熱電対４を一つのみ記載しているが、複数のシース熱電対４が燃料電池スタックの両端部等の所定位置に接続されている。

この燃料電池スタック３は、図５に示すように、固体電解質層６の両面に燃料極層（アノード）７と空気極層（カソード）８を配置してなる発電セル９の外側に、各々燃料極集電体１０と空気極集電体１１を配置し、これらの集電体１０、１１の外側にセパレータ１２を配置した単セル１３を縦方向に複数積層したものである。

ここで、固体電解質層６は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと酸化剤ガスとを直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。また、この固体電解質層６は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極層８側の酸化性雰囲気から燃料極層７側の還元性雰囲気までの条件下において化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で構成されている。

また、電極である燃料極層７と空気極層８は、いずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。このため、この燃料極層７の材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメット等で構成され、また、空気極層８の材料は、７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つＬａＭｎＯ₃もしくはＬａＣｏＯ₃、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体（ＬＳＭ、ＬＳＣ，ＳＳＣ等）で構成されている。

さらに、燃料極集電体１０は、ニッケル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１１は、銀基合金等の同じくスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されている。スポンジ状多孔質焼結金属板は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。

一方、セパレータ１２は、ＳＵＳ（ステンレス）等の金属材料により構成されている。なお、７００℃以上の低温、中温作動において、殆ど電気抵抗が増加せず、良好な伝導性を維持する銀めっきを成膜したセパレータ１２を使用することが好ましい。

また、セパレータ１２は、発電セル９間を電気接続すると共に、この発電セル９に対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスである水素をセパレータ１２の外周部から導入して燃料ガス通路１４を介してセパレータ１２の燃料極層７に対向する面から吐出させる燃料ガス吐出孔１５と、酸化剤ガスである空気をセパレータ１２の外周部から導入して酸化剤ガス通路１６を介してセパレータ１２の空気極層８に対向する面から吐出させる酸化剤ガス吐出孔１７とが形成されている。

そして、発電セル９とセパレータ１２からなる単セル１３が複数積層され、積層方向の最上部側および最下部側にフランジを配して、ボルトで締め付けられることにより燃料電池スタック３が構成されている。

ここで、燃料電池スタック３のセパレータ１２には、図２に示すように、熱電対挿入孔１８が形成されており、該熱電対挿入孔１８には、シース熱電対４の測温部（一端部）が挿入されている。

一方、シース熱電対４は、金属チューブ１９内に絶縁材２０を介して、一対の互いに熱電能の異なる熱電体素線２１、２２を配したものである。

このシース熱電対４の金属チューブ１９は、ＳＵＳ（ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓ、インコネイル等）等の金属材料により構成されている。

また、金属チューブ１９に充填された絶縁材２０は、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）、ＺｒＯ₂（ジルコニア）またはＭｇＯ（酸化マグネシウム）等のセラミック粉末により構成されている。

さらに、シース熱電対４の一対の熱電体素線２１、２２は、シース熱電対の測温部において接合されており、且つ燃料電池スタックの作動温度である６５０℃〜８００℃の高温雰囲気下で使用可能な金属および合金であるクロメル（ニッケル及びクロムを主とした合金）、アルメル（ニッケルを主とした合金）、ナイクロシル（ニッケル、クロムおよびシリコンを主とした合金）、ナイシル（ニッケル及びシリコンを主とした合金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｔ／１３％Ｒｈ（ロジウム１３％を含む白金ロジウム合金）、Ｐｔ／１０％Ｒｈ（ロジウム１０％を含む白金ロジウム合金）、Ｐｔ／３０％Ｒｈ（ロジウム３０％を含む白金ロジウム合金）またはＰｔ／６％Ｒｈ（ロジウム６％を含む白金ロジウム合金）等を組み合わせることにより構成されている。

なお、この一対の熱電体素線２１、２２のＪＩＳ規格に規定された組み合わせとしては、Ｋ（クロメル・アルメル）、Ｎ（ナイクロシル・ナイシル）、Ｒ（Ｐｔ／１３％Ｒｈ・Ｐｔ）、Ｓ（Ｐｔ／１０％Ｒｈ・Ｐｔ）およびＢ（Ｐｔ／３０％Ｒｈ・Ｐｔ／６％Ｒｈ）等がある。

ここで、シース熱電対４は、図４に示すように、測温部側の金属チューブ１９の外側の全面に絶縁性ペースト２３が塗布されるとともに、測温部に第１の保護管２４が外装され、さらに第１保護管に第２の保護管２５（絶縁性保護管）が外装されている。なお、絶縁ペースト２３は、コーティングが均一とならないように、凹凸をもって塗布することが好ましい。

そして、図３に示すように、シース熱電対４の金属チューブ１９と第１の保護管２４との間には、絶縁ペースト２３の凹凸により隙間３０が設けられている。また、第１の保護管２４と第２の保護管２５との間は、第１の保護管２４の荷重により、第１の保護管２４の下端と第２の保護管２５の内部とが接触するものの、第１の保護管２４の下端を除く部分と第２の保護管２５との間に隙間３０が設けられている。

当該絶縁ペースト２３は、アロンセラミックＤ、セラコートまたはホワイティなどにより構成されている。

そして、第１の保護管２４および第２の保護管２５は、Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナ）またはＺｒＯ₂（ジルコニア）等により構成されている。

他方、シース熱電対４の他端部は、缶体に備えられたシーリング部材２７を貫通させて、缶体２外に備えられた起電力測定器５に接続されている。

当該シーリング部材２７は、シース熱電対４の金属チューブ１９との接触面側に、絶縁性を有するＡｌ₂Ｏ₃からなるインシュレータおよびＡｌ₂Ｏ₃とＳｉＯ₂との混合物からなるシーラントを備えた電気絶縁性部材２８が配されており、その外周部にＳＵＳ等の金属材料からなるカバー２６が配されることにより構成されている。

以上の構成からなる燃料電池モジュールは、燃料電池スタック３において、発電セル９にセパレータ１２の燃料ガス通路１４および酸化剤ガス通路１６を介して、燃料ガス吐出孔１５および酸化剤ガス吐出孔１７から燃料極層７および空気極層８に水素および酸素を供給することにより発電反応を行い、所定の起電力を得ており、架台１を介して燃料電池スタック３のマイナス線３１をアースに採っている。

上記燃料電池モジュールによれば、缶体２のシース熱電対４の貫通部に、シース熱電対４の金属チューブ１９との接触部が電気絶縁性部材２８によって構成されたシーリング部材２７を設けているために、架台１を介して燃料電池スタック３のマイナス線３１をアースに採ることにより、缶体がアース電位となっても、当該金属チューブ１９がアース電位を有することがなくなる。これにより、燃料電池スタック３のセパレータ１２とシース熱電対４との間の放電による短絡を防止することが可能となり、この結果、過電流を起因とする発電セル９の電極性能および燃料電池スタック３の発電出力の低下を防止することが可能となる。

そして、第１の保護管２４の外周部に、電気絶縁性を有する第２の保護管２５を外装しているために、第２保護管２５を介して燃料電池スタック３のセパレータ１２の界面と第２の保護管２５の内面との間にマイグレーションが生じても、さらに第１の保護管２４を介してセパレータ１２の界面とシース熱電対４の金属チューブ１９の外面との間がマイグレーションにより導通することを抑制することが可能である。この結果、セパレータ１２とシース熱電対４との間の短絡を確実に防止することが可能となる。

また、シース熱電対４の一端部側において、金属チューブ１９の外面の全面に、電気絶縁性ペースト２３を塗布しているために、燃料電池スタック３のセパレータ１２とシース熱電対４との絶縁性が向上する。

さらに、シース熱電対４の金属チューブ１９と第１の保護管２４との間、および第１の保護管２４と第２の保護管２５との間に、隙間３０を設けているために、燃料電池スタック３のセパレータ１２の界面と金属チューブ１９の外面との間がマイグレーションにより導通することを確実に防止することが可能となり、且つセパレータ１２とシース熱電対４との絶縁性が一段と向上する。

２缶体
３燃料電池スタック
４シース熱電対
５起電力測定器（測定器）
９発電セル
１２セパレータ
１８熱電対挿入孔
１９金属チューブ
２０絶縁材
２１熱電体素線
２２熱電体素線
２３電気絶縁性ペースト
２４第１の保護管
２５第２の保護管
２７シーリング部材
２８電気絶縁性部材
３０隙間

Claims

箱形の缶体の内部に、発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成される燃料電池スタックを配してなり、且つ上記セパレータの外周部に穿設された挿入孔に、金属チューブ内に絶縁材を介して一対の熱電体素線を配して構成されたシース熱電対の一端部を、電気絶縁性を有する第１保護管を外装して挿入するとともに、上記シース熱電対の他端部を、上記缶体を介して缶体外の起電力測定器に接続した燃料電池モジュールにおいて、
上記缶体の上記シース熱電対の貫通部に、上記金属チューブとの接触部が電気絶縁性部材によって構成されるとともに、燃料電池スタックから排出される排ガスの缶体外への漏洩を防止するシーリング部材を設けたことを特徴とする燃料電池モジュール。
上記第１保護管の外周部に、電気絶縁性を有する第２の保護管を装着したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
上記シース熱電対の一端部側において、上記金属チューブの外面の全面に、電気絶縁性ペーストを塗布したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
上記金属チューブと上記第１保護管との間および上記第１の保護管と上記第２の保護管との間に、隙間を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池モジュール。