JP2013055042A - 燃料電池セル及び燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一対のインターコネクタ(以下、IC)12,13と、IC12,13間に位置し電解質2の一方の面に空気極14が形成され他方の面に燃料極15が形成されたセル本体20と、空気極14及び燃料極15の少なくとも一方とIC12,13との間に配置され、空気極14及び/又は燃料極15とIC12,13とを電気的に接続する集電部材18,19とを備えた燃料電池セル3であって、集電部材18,19は、IC12,13に当接するコネクタ当接部19aと、セル本体20に当接するセル本体当接部19bと、コネクタ当接部19aとセル本体当接部19bをつなぐ連接部19cとが一連に形成され、セル本体20とIC12,13の間において、コネクタ当接部19aとセル本体当接部19bを隔てるように配置されるスペーサー58を有することを特徴とする。
【選択図】 図5
Description
前記インターコネクタ間に位置し、電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、前記空気極及び/又は前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記セル本体と前記インターコネクタの間において、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部を隔てるように配置されるスペーサーを有する燃料電池セルを提供する。
前記インターコネクタ間に位置し、電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、前記空気極及び/又は前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記セル本体と前記インターコネクタの間において、前記コネクタ当接部と前記セル本体を、及び、前記セル本体当接部と前記インターコネクタを、それぞれ隔てるように配置されるスペーサーを有する燃料電池セルを提供する。
前記インターコネクタ間に位置し、電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、前記空気極及び/又は前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記セル本体と前記インターコネクタの間において、前記コネクタ当接部と前記セル本体を、又は、前記セル本体当接部と前記インターコネクタを、隔てるように配置されるスペーサーを有する燃料電池セルを提供する。
前記締め付け部材及び前記スペーサーにより、前記集電部材の前記セル本体当接部が前記セル本体に当接し、前記コネクタ当接部が前記インターコネクタに当接するように押圧されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池セルを提供する。
即ち、集電体部材の弾性力低下(即ち、高温時に金属集電部材のクリープ変形による影響)に対して、スペーサーの弾性力が補うことでセル本体もしくはインタコネクタに対する押圧作用が維持される。よって、接点が良好な状態に維持される。
すなわち、Ni又はNi合金は、材質上、燃料極側のセル本体(燃料極)やインターコネクタとの接合性に優れており、しかも集電部材のセル本体当接部やコネクタ当接部は、集電部材自体の弾性とスペーサーの押圧によってセル本体やインターコネクタに確実に接触しているから、組み立て完了後に加熱すればセル本体当接部がセル本体の燃料極中のNiと拡散接合し、或はコネクタ当接部がインターコネクタに拡散接合して一体になる。このようにセル本体当接部やコネクタ当接部がそれぞれセル本体やインターコネクタに接合して一体になると、セル本体とインターコネクタの電気的接続が安定する。
なお、燃料電池の発電時の温度は700℃前後〜1000℃に達するため、発電時の熱でセル本体当接部やコネクタ当接部を燃料極側のセル本体やインターコネクタに接合することができる。したがって、加熱のための工程を省略してエネルギーを節約することができる。
図1〜図11に示した実施形態1の燃料電池1は、例えばZrO2系セラミックを電解質2とするSOFCである。この燃料電池1は、発電の最小単位である燃料電池セル3と、該燃料電池セル3に空気を供給する空気供給流路4と、その空気を外部に排出する空気排気流路5と、同じく燃料電池セル3に燃料ガスを供給する燃料供給流路6と、その燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路7と、該燃料電池セル3を複数セット積層してセル群となし該セル群を固定して燃料電池スタック8となす固定部材9と、燃料電池スタック8を納める容器10と、燃料電池スタック8で発電した電気を出力する出力部材11と、から概略構成される。
燃料電池セル3は平面視正方形であり、図3に示したように、四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された上(※ここでの「上」又は「下」は図面の記載を基準とするが、これはあくまでも説明の便宜上のものであって絶対的な上下を意味しない。以下同じ。)のインターコネクタ12と、同じく四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された下のインターコネクタ13と、上下のインターコネクタ12,13のほぼ中間に位置すると共に電解質2の上のインターコネクタ12の内面(下面)に対向する面に空気極14を形成すると共に下のインターコネクタ13の内面(上面)に対向する面に燃料極15を形成したセル本体20と、上のインターコネクタ12と空気極14との間に形成された空気室16と、下のインターコネクタ13と燃料極15との間に形成された燃料室17と、空気室16の内部に配置され空気極14と上のインターコネクタ12とを電気的に接続する空気極14側の集電部材18と、前記燃料室17の内部に配置され燃料極15と下のインターコネクタ13とを電気的に接続する燃料極15側の集電部材19と、を有し、正方形のコーナー部分に前記固定部材9の後述する締め付け部材46a〜46dを通すコーナー通孔47,47…を貫通状態に形成したものである。
前記電解質2は、ZrO2系セラミックの他、LaGaO3系セラミック、BaCeO3系セラミック、SrCeO3系セラミック、SrZrO3系セラミック、CaZrO3系セラミック等で形成される。
前記燃料極15の材質は、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO2系セラミック、CeO2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも1種との混合物が挙げられる。また、燃料極15の材質は、Pt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru、Rh、Ni及びFe等の金属でもよく、これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の合金にしてもよい。さらに、これらの金属及び/又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物(サーメットを含む。)が挙げられる。また、Ni及びFe等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物等が挙げられる。
前記空気極14の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。前記金属としてはPt、Au、Ag、Pb、Ir、Ru及びRh等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。さらに、金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn及びFe等の酸化物(La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2及びFeO等)が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともLa、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe及びMn等を含有する複酸化物(La1−XSrXCoO3系複酸化物、La1−XSrXFeO3系複酸化物、La1−XSrXCo1−yFeO3系複酸化物、La1−XSrXMnO3系複酸化物、Pr1−XBaXCoO3系複酸化物及びSm1−XSrXCoO3系複酸化物等)が挙げられる。
前記燃料室17は、図3〜図5に示したように、集電部材19の周りを囲う状態にして下のインターコネクタ13の上面に設置された額縁形態の燃料極ガス流路形成用絶縁フレーム(以下、「燃料極絶縁フレーム」ともいう。)21と、額縁形態であって前記燃料極絶縁フレーム21の上面に設置される燃料極フレーム22と、によって四角い部屋状に形成されている。
燃料室17側の集電部材19は、例えばNiの板材で形成されており、下のインターコネクタ13に当接するコネクタ当接部19aと、セル本体20の燃料極15に当接するセル本体当接部19bと、コネクタ当接部19aとセル本体当接部19bとをつなぐU字状の連接部19cとが一連に形成され、該連接部19cのU字に曲がった部分の弾性力によりコネクタ当接部19aとセル本体当接部19bがそれぞれインターコネクタ13とセル本体20に向けて付勢され、なおかつ、温度サイクルや燃料圧・空気圧などの変動によるセル本体20の変形に柔軟に追従し得る。
前記集電部材19には、図5に示したようにスペーサー58が併設されている。該スペーサー58は、セル本体20と下のインターコネクタ13の間の燃料室17内において、コネクタ当接部19aとセル本体当接部19bを隔てるように両者の間に配置され、少なくとも燃料電池作動温度域での該スペーサー58の熱膨張によってセル本体当接部19bとコネクタ当接部19aをそれぞれの当接方向、すなわちセル本体当接部19bをセル本体20に向けて、一方、コネクタ当接部19aをインターコネクタ13に向けて押圧し得るようにするべく、燃料電池作動温度域である700℃〜1000℃において、熱膨張によって拡大する前記間隔tをさらなる熱膨張によって上回る厚みと材質で形成されている。
そして、このスペーサー58を集電部材19の加工前の図10(b)に示した平板19pに重ね、その状態で図9拡大部に示したように連接部19cをU字状に曲げるようにすれば、予めスペーサー58を組み込んだ集電部材19ができる。
ところで、図9拡大部では、セル本体当接部19bが左角部に位置するものから右に向かって段階的に曲げられる状態になっているが、これは専ら加工手順を説明するために描いたものであり、セル本体当接部19bの曲げ加工は全部を一斉に行ってもよいし、加工上都合の良い部分から順に行ってもよい。
前記空気室16は、図3〜図5に示したように、四角い額縁形態であって下面に前記電解質2が取着された導電性を有する薄い金属製のセパレータ23と、該セパレータ23と上のインターコネクタ12との間に設置されて集電部材18の周りを囲う額縁形態の空気極ガス流路形成用絶縁フレーム(以下、「空気極絶縁フレーム」ともいう。)24と、によって四角い部屋状に形成されている。
空気室16側の集電部材18は、細長い角材形状で、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、電解質2の上面の空気極14と上のインターコネクタ12の下面(内面)に当接する状態にして複数本を平行に且つ一定の間隔をおいて配設されている。なお、空気室16側の集電部材18は、燃料室17側の集電部材19と同じ構造(後述する実施形態2を含む。)にしてもよい。
空気供給部25は、四角い燃料電池セル3の一辺側中央に上下方向に開設した空気供給通孔29と、該空気供給通孔29に連通するように空気極絶縁フレーム24に開設した長孔状の空気供給連絡室30と、該空気供給連絡室30と空気室16の間を仕切る隔壁31の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気供給連絡部32と、前記空気供給通孔29に挿通して外部から前記空気供給連絡室30に空気を供給する前記空気供給流路4と、を備えている。
空気排気部26は、燃料電池セル3の空気供給部25の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した空気排気通孔33と、該空気排気通孔33に連通するように空気極絶縁フレーム24に開設した長孔状の空気排気連絡室34と、該空気排気連絡室34と空気室16の間を仕切る隔壁35の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気排気連絡部36と、前記空気排気通孔33に挿通して空気排気連絡室34から外部に空気を排出する管状の前記空気排気流路5と、を備えている。
燃料供給部27は、四角い燃料電池セル3の残り二辺のうちの一辺側中央に上下方向に開設した燃料供給通孔37と、該燃料供給通孔37に連通するように燃料極絶縁フレーム21に開設した長孔状の燃料供給連絡室38と、該燃料供給連絡室38と燃料室17の間を仕切る隔壁39の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料供給連絡部40と、前記燃料供給通孔37に挿通して外部から前記燃料供給連絡室38に燃料ガスを供給する管状の前記燃料供給流路6と、を備えている。
燃料排気部28は、燃料電池セル3の燃料供給部27の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した燃料排気通孔41と、該燃料排気通孔41に連通するように燃料極絶縁フレーム21に開設した長孔状の燃料排気連絡室42と、該燃料排気連絡室42と燃料室17の間を仕切る隔壁43の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料排気連絡部44と、前記燃料排気通孔41に挿通して燃料排気連絡室42から外部に燃料ガスを排出する管状の燃料排気流路7と、を備えている。
燃料電池スタック8は、前記燃料電池セル3を複数セット積層してセル群となし、該セル群を固定部材9で固定して構成される。なお、燃料電池セル3を複数セット積層した場合において、下に位置する燃料電池セル3の上のインターコネクタ12と、その上に載る燃料電池セル3の下のインターコネクタ13は、一体にしてその一枚を上下の燃料電池セル3,3同士で共有する。
前記固定部材9は、セル群の上下を挟む一対のエンドプレート45a,45bと、該エンドプレート45a,45bとセル群をエンドプレート45a,45bのコーナー孔(図示せず)とセル群の前記コーナー通孔47にボルトを通してナットで締め付ける四組の締め付け部材46a〜46dと、を組み合わせたものである。締め付け部材46a〜46dの材質は、例えばインコネル601である。
燃料電池スタック8を収める容器10は、耐熱且つ密閉構造であって、図1に示したように、開口部にフランジ52a,52bを有する二個の半割体53a,53bを向かい合わせにして接合したものである。この容器10の頂部から前記締め付け部材46a〜46dのボルトが外部に突出しており、この締め付け部材46a〜46dの突出部分にナット54を螺合させて燃料電池スタック8を容器10内に固定する。また、容器10の頂部から前記空気供給流路4、空気排気流路5、燃料供給流路6、燃料排気流路7も外部に突出しており、その突出部分に空気や燃料ガスの供給源等が接続されている。
燃料電池スタック8で発電した電気を出力する出力部材11は、燃料電池スタック8のコーナー部分に位置する前記締め付け部材46a〜46dと前記エンドプレート45a,45bであって、対角線上で向かい合う一対の締め付け部材46a,46cを正極である上のエンドプレート45aに電気的に接続し、また、他の一対の締め付け部材46b,46dを負極である下のエンドプレート45bに電気的に接続する。もちろん正極に接続した締め付け部材46a,46dや負極に接続した締め付け部材46b,46cは、他極のエンドプレート45a(45b)に対しては絶縁座金55(図1参照)を介在させ、また、燃料電池スタック8に対してはコーナー通孔47との間に隙間を設けるなどして絶縁されている。よって、固定部材9の締め付け部材46a,46cは、上のエンドプレート45aにつながった正極の出力端子としても機能し、また、他の締め付け部材46b,46dは、下のエンドプレート45bにつながった負極の出力端子としても機能する。
上記燃料電池1の空気供給流路4に空気を供給すると、その空気は、図7の右側から左側に流れ、右側の空気供給流路4と、空気供給連絡室30と、空気供給連絡部32とからなる空気供給部25を通って空気室16に供給され、この空気室16の集電部材18同士の間のガス流路56を通り抜け、さらに空気排気連絡部36と、空気排気連絡室34と、空気排気流路5とからなる空気排気部26を通って外部に排出される。
なお、このとき集電部材19が前記のように多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタルで形成されていると、ガス流路57の表面が凸凹になるため燃料ガスの拡散性が向上する。
また、燃料圧や空気圧も変動する場合があり、その圧力の変動でセル本体20が変形することによっても燃料室17や空気室16の間隔が拡大又は縮小する。
このような燃料室17や空気室16の拡大方向の変化に対して、実施形態では燃料室17側の集電部材19が、連接部19cの弾性力と、スペーサー58の積層方向の弾性力と同方向の熱膨張によってセル本体20を押圧するため電気的接続が安定的に維持される。この集電部材19によるセル本体20の押圧は空気室16側にも影響するため、空気室16の電気的接続も安定的に維持される。
また、燃料室17や空気室16の縮小方向の変化に対して、燃料室17側の集電部材19の連接部19cの弾性力と、スペーサー58の収縮によってセル本体20に加わる応力が緩和される。
一方、集電部材19の連結部19cに十分な弾性力を持たせたこと、及び、スペーサー58に弾性力を持たせたことで、金属である集電部材19の弾性力が温度上昇や高温などの状況(例えば、発電昇温時)下で、クリープの影響を受けたとしても、接点の状態を良好に保つことができる。
そこで、集電部材19をNiで、スペーサー58をマイカで形成して実験用の燃料電池を製造し、その燃料電池で発電して集電部材19およびスペーサー58の弾性と接点の保持状態の関係について確認した。
その結果、集電部材19は、スペーサー58を構成するマイカよりも十分な弾性力を持たせたことにより、スタックの組み立て時もしくは(発電後などの)降温時に燃料室17や空気室16が縮小方向に変形しても、接点の状態が良好に維持された。
一方、(発電開始などの)昇温時では、集電部材19が熱によりクリープの影響を受けて弾性力が弱くなってもスペーサー58の熱膨張により補強されてトータルで電気的接続を得るための十分な接触力が維持されるため、燃料室17や空気室16の拡大方向の変形に対しても接点の状態は良好に保たれた。
なお、好ましくは燃料極15にNiOペーストを塗布して接合層を形成しておくとよい。そうすることによりH2中の通電でNiOがNiになるから集電部材19と燃料極15の接合性がさらに向上する。前記接合層は、燃料極15にPtペーストを塗布することによって形成してもよい。
図12〜図15は実施形態2を示す燃料電池セル3の中間省略縦断面図である。実施形態1は、集電部材19の連接部19cをU字状に曲げてコネクタ当接部19aの上方にセル本体当接部19bを配置すると共にコネクタ当接部19aとセル本体当接部19bの間にスペーサー58を介在させるようにしたが、実施形態2では連接部19cを斜めにして、図12のようにコネクタ当接部19aとセル本体当接部19bの上下位置を完全に異ならせるか又は図13のように集電部材19を断面略Z字状にしてコネクタ当接部19aとセル本体当接部19bの一部が上下位置を違えて重なるように配置し、そうしてコネクタ当接部19aとセル本体20及びセル本体当接部19bとインターコネクタ13を隔てるように前記スペーサー58を配置したものである。また、図14のようにスペーサー58をコネクタ当接部19aとセル本体20を隔てるように介在させるか、或は図15のようにスペーサー58をセル本体当接部19bとインターコネクタ13を隔てるように介在させるようにすることもできる。
実施形態1と実施形態2の構成の相違は以上のとおりであり、それ以外の点については実施形態1と同じであるため詳細な説明を省略する。
2 …電解質
3 …燃料電池セル
8 …燃料電池スタック
12,13 …インターコネクタ
14 …空気極
15 …燃料極
18,19 …集電部材
19a …コネクタ当接部
19b …セル本体当接部
19c …連接部
20 …セル本体
46a〜46d …締め付け部材
58 …スペーサー
Claims (13)
- 一対のインターコネクタと、
前記インターコネクタ間に位置し、電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、前記空気極及び/又は前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記セル本体と前記インターコネクタの間において、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部を隔てるように配置されるスペーサーを有することを特徴とする燃料電池セル。 - 前記連接部が略180度に折り曲げられ、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部が前記スペーサーの両側に配置されている請求項1に記載の燃料電池セル。
- 一対のインターコネクタと、
前記インターコネクタ間に位置し、電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、前記空気極及び/又は前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記セル本体と前記インターコネクタの間において、前記コネクタ当接部と前記セル本体を、及び、前記セル本体当接部と前記インターコネクタを、それぞれ隔てるように配置されるスペーサーを有することを特徴とする燃料電池セル。 - 一対のインターコネクタと、
前記インターコネクタ間に位置し、電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、前記空気極及び/又は前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記セル本体と前記インターコネクタの間において、前記コネクタ当接部と前記セル本体を、又は、前記セル本体当接部と前記インターコネクタを、隔てるように配置されるスペーサーを有することを特徴とする燃料電池セル。 - 前記スペーサーは、前記セル本体と前記インターコネクタの間隔が変動することにより作用し得る荷重に対して前記集電部材よりも柔軟であることを特徴とする請求項1〜4に記載の燃料電池セル。
- 前記スペーサーは、マイカ、アルミナフェルト、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの少なくとも何れか1種とすることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池セル。
- 前記インターコネクタと、前記セル本体と、前記集電部材とを積層して一体に締め付ける締め付け部材をさらに有し、
前記締め付け部材及び前記スペーサーにより、前記集電部材の前記セル本体当接部が前記セル本体に当接し及び/又は前記コネクタ当接部が前記インターコネクタに当接するように押圧されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池セル。 - 前記スペーサーは、前記締め付け部材よりも締め付け方向の熱膨張率が高いことを特徴とする請求項7に記載の燃料電池セル。
- 前記集電部材は、多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタル製であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記集電部材の前記セル本体当接部が、前記セル本体の前記空気極及び/又は前記燃料極の表面に接合されていることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記集電部材の前記コネクタ当接部が、前記インターコネクタに接合されていることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記集電部材は、前記燃料極と前記インターコネクタとの間に配置されて、Ni又はNi合金製であることを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載の燃料電池セル。
- 請求項1〜12の何れか1項に記載の燃料電池セルを複数個積層し、前記締め付け部材により固定してなることを特徴とする燃料電池スタック。
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