JP2013178956A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。 A fuel cell is a device that generally obtains electric energy using hydrogen and oxygen as fuel. Since this fuel cell is excellent in terms of the environment and can realize high energy efficiency, it has been widely developed as a future energy supply system.
固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、固体酸化物電解質がアノードとカソードとによって挟持された構造を有する。固体酸化物形燃料電池として、金属支持体に支持された円筒型のセルが開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、集電体が、中央部で外側電極層に接続される中央部と、この中央部から隣接する燃料電池ユニットの両端部に向けて延びて内側電極に電気的に接続される接続部とを備えている。
A solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a solid oxide electrolyte is sandwiched between an anode and a cathode. As a solid oxide fuel cell, a cylindrical cell supported by a metal support is disclosed (for example, see Patent Document 1). In
しかしながら、特許文献1の技術では、円筒型セル1つずつに個別に集電部が設けられているため、集電時の部品間抵抗が大きくなる。また、組み付け性が悪くなるおそれがある。
However, in the technique of
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、部品間抵抗の低減が可能であるとともに、組み付け性の向上が可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of reducing resistance between components and improving assembly.
本発明に係る燃料電池スタックは、多孔状の金属支持体の外周に第1電極、固体酸化物電解質、および第2電極が積層された筒型セルを幅方向に複数配列させた並列モジュールを複数段積層させたスタックと、1枚の導電性部材であり、2段の並列モジュールの間に配置され、一方の並列モジュールの各金属支持体を接続し、前記一方の並列モジュールの各第2電極と接触せずに他方の並列モジュールの各第2電極と接触するインターコネクタと、を備えることを特徴とする。本発明に係る燃料電池スタックによれば、部品間抵抗の低減が可能であるとともに、組み付け性の向上が可能である。 A fuel cell stack according to the present invention includes a plurality of parallel modules in which a plurality of cylindrical cells in which a first electrode, a solid oxide electrolyte, and a second electrode are stacked on the outer periphery of a porous metal support are arranged in the width direction. A stack formed by stacking one layer and one conductive member, which is disposed between two parallel modules, connects each metal support of one parallel module, and each second electrode of the one parallel module And an interconnector that is in contact with each second electrode of the other parallel module without contacting the other. According to the fuel cell stack of the present invention, it is possible to reduce the resistance between components and improve the assembling property.
前記インターコネクタは、弾性を有し、前記他方並列モジュールの各第2電極に対して、付勢されて接触していてもよい。前記インターコネクタは、波板形状の断面を有し、前記波板形状の前記他方の並列モジュール側への凸部は、前記他方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置していてもよい。前記波板形状の前記一方の並列モジュール側への凸部は、前記一方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置していてもよい。前記第1電極は、前記金属支持体の端部まで形成されておらず、前記インターコネクタは、前記金属支持体の端部に接触していてもよい。前記金属支持体は、前記端部に拡径部を備え、前記インターコネクタは、前記拡径部よりも端側に接触していてもよい。 The interconnector may have elasticity, and may be biased and in contact with each second electrode of the other parallel module. The interconnector may have a corrugated cross section, and the convex portion of the corrugated plate toward the other parallel module may be located between the cylindrical cells of the other parallel module. . The convex portion toward the one parallel module in the corrugated plate shape may be located between the cylindrical cells of the one parallel module. The first electrode may not be formed up to the end of the metal support, and the interconnector may be in contact with the end of the metal support. The metal support may include an enlarged diameter portion at the end, and the interconnector may be in contact with the end side of the enlarged diameter portion.
本発明によれば、部品間抵抗が低減されかつ組み付け性が向上された燃料電池スタックを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell stack with reduced resistance between components and improved assemblability.
以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
(単セルの構成)
図1(a)〜図1(c)は、本実施形態に係る燃料電池スタック100を構成する燃料電池の単位として機能する単セル10の構造を説明するための図である。図1(a)は、単セル10の外観図である。図1(b)は、図1(a)のA−A線断面図である。図1(c)は、図1(a)のB−B線断面図である。
(Single cell configuration)
FIG. 1A to FIG. 1C are diagrams for explaining the structure of a
単セル10は、筒型の支持体の外周に、一方の電極、電解質膜および他方の電極がこの順に積層された構造を有している。図1(a)〜図1(c)を参照して、本実施形態においては、単セル10は、一例として、円筒形状の支持体11の外側表面に、アノード12、電解質膜13およびカソード14がこの順に積層された構造を有している。単セル10においては、アノード12、電解質膜13およびカソード14が発電部として機能する。
The
支持体11として、ガス透過性を有するとともに電解質膜13を支持可能な部材を用いることができる。支持体11として、多孔状の金属支持体を用いることができる。多孔状の金属支持体は、一例として、内壁と外壁とを連通する孔11aを複数有する。多孔状の金属支持体は、耐熱性が高く、アノード12およびカソード14よりも高い導電性を有する材料(ステンレス等)であれば、特に限定されるものではない。支持体11として、シームレスタイプの鋼管や、セミシームレス(平板プレス、溶接後引き抜き)タイプの鋼管などを用いることができる。孔11aは、プレス等の機械加工、エッチング処理などによって形成することができる。
As the
アノード12の材質は、アノードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばNiO/ZrO2系、NiO/CeO2系、NiO/BaZrO3系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。電解質膜13の材質は、特に限定されないが、例えばZrO2系、CeO2系、LaGaO3系、BaZrO3系等の酸素イオン導電性の固体酸化物電解質を用いることができる。カソード14の材質は、カソードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばLaMnO3系、LaCoO3系、La2NiO4系、SmCoO3系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。
The material of the
本実施形態においては、支持体11の長手方向において、支持体11よりもアノード12が短く形成され、アノード12よりも電解質膜13が短く形成され、電解質膜13よりもカソード14が短く形成されている。それにより、支持体11の端部、アノード12の端部および電解質膜13の端部が露出している。なお、支持体11には、長手方向の端部において、他の部分よりも径が大きい拡管部11bが設けられている。拡管部11bは、バレル(拡管)加工によって形成することができる。拡管部11bの詳細については後述する。また、孔11aは、支持体11の全体にわたって形成されているわけではなく、カソード14が覆う領域に形成されている。それにより、支持体11の内部を流動するガスと、支持体11の外部を流動するガスとが隔離される。アノード12、電解質膜13およびカソード14の成膜には、インクジェット法、ディッピング法などを用いることができる。また、膜ごとに焼結をしてもよく、全膜の成膜後に一括して焼結してもよい。
In the present embodiment, in the longitudinal direction of the
単セル10は、以下の作用によって発電する。支持体11の内部には水素を含有する燃料ガスが供給され、支持体11の外部には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソード14においては、カソード14に供給された酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、電解質膜13を伝導してアノード12側に移動する。
The
一方、支持体11の内部に供給された水素は、支持体11の孔11aを通過して、アノード12に到達する。アノード12に到達した水素は、アノード12において電子を放出するとともに、カソード14側から電解質膜13を伝導してくる酸素イオンと反応して水(H2O)になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード14に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。
On the other hand, the hydrogen supplied to the inside of the
ここで、円筒状の単セルは、自身の構造に起因して機械的衝撃および熱的衝撃に対して強固であるため、信頼性および耐熱性に優れている。また、平板状の単セルよりも大きい体格出力密度を有するため、小型化かつ低熱容量化による早期暖機および省エネルギー化が可能である。しかしながら、セルの細径化に伴って体格出力密度が大きくなる一方で、同一出力に対してセル数を増大させる必要がある。セル数を増大させると、集電箇所およびシール箇所が増えるため、製造工程が煩雑化し、生産性低下、工程費増大などの支障をきたす。また、円筒内径電極(図1の例ではアノード12)は、円筒長手方向の端部で集電されるため、導電率の低い電極薄膜の電流横走り抵抗に起因する発電電圧降下が顕著になるため、発電条件、円筒長、電極の膜厚(断面積)、電極材種、セル本体の構造が大きく制約を受けることになる。
Here, the cylindrical unit cell is excellent in reliability and heat resistance because it is strong against mechanical shock and thermal shock due to its own structure. Moreover, since it has a larger physique output density than that of a flat single cell, it is possible to quickly warm up and save energy by downsizing and low heat capacity. However, it is necessary to increase the number of cells with respect to the same output while the physique output density increases with the cell diameter reduction. Increasing the number of cells increases the number of current collection points and seal points, which complicates the manufacturing process, resulting in problems such as reduced productivity and increased process costs. Further, since the cylindrical inner diameter electrode (the
これに対して、単セル10では、アノード12よりも高い導電性を有する支持体11を集電部材として用いることによって、抵抗を低減することができる。一例として、アノード12として50Ni/YSZを用いた場合、アノード12の導電率σは650℃で約1000S/m〜約1100S/mである。一例として、支持体11としてSUS430を用いた場合、支持体11の導電率σは、約8700S/m(650℃)である。すなわち、支持体11は、アノード12の約8倍の導電率を有することになる。この場合、アノード12を5μm〜200μmに薄膜化して支持体11の円周の一部から電流を取り出しても、電気抵抗をほとんど無視することができる。
On the other hand, in the
汎用材のSUS430系は、Ni(ニッケル)を含まず、SUS材でも比較的安価で耐熱性に優れる材料である。したがって、支持体11としてSUS430系を用いることが好ましい。また、SUS430系の線熱膨張率は、約11×10−6であることから、アノード12、電解質膜13、およびカソード14の間で線熱膨張率差を小さくすることができる。その結果、アノード12、電解質膜13、およびカソード14の剥離を抑制することができる。また、支持体11を用いることによってアノード12を薄膜化することができることから、Ni/YSZをアノード12として用いた場合のNi量を低減することができる。
The general-purpose material SUS430 series does not contain Ni (nickel) and is a material that is relatively inexpensive and excellent in heat resistance even with a SUS material. Therefore, it is preferable to use a SUS430 system as the
(並列モジュールの構成)
図2(a)および図2(b)は、複数の単セル10を幅方向に並列接続させた形態について説明するための図である。図2(c)は、図2(a)および図2(b)の回路図である。図2(a)を参照して、複数の単セル10を配列し、各カソード14に接するようにインターコネクタ5aが配置されていれば、各単セル10が並列接続される。さらに、図2(b)を参照して、各単セル10の支持体11を別のインターコネクタ5bによって接続することによって、図2(c)の回路が得られる。
(Configuration of parallel module)
FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams for explaining a form in which a plurality of
並列モジュールを複数段にわたって積層させた場合に、下段の並列モジュールの各カソード14を接続するインターコネクタ5aと、上段の並列モジュールの各支持体11を接続するインターコネクタ5bとを1枚のインターコネクタで機能させることができれば、当該インターコネクタが各単セル10の並列化および各並列モジュールの直列化を担うことができる。この場合、部品の簡素化により部品間抵抗を低減することができる。また、各単セル10の組み付け性が向上する。以下、インターコネクタの具体的な例について説明する。
When the parallel modules are stacked in a plurality of stages, the
(燃料電池スタックの構成)
図3(a)は、複数の単セル10を用いた燃料電池スタック100の構成図である。図3(a)を参照して、燃料電池スタック100は、ケース20の中に、図2(a)で説明した並列モジュールが順次積層された構成を有する。図3(a)の例では、隣接する2つの単セル10の上に、他の並列モジュールの単セル10が配置されるように、千鳥配置されている。
(Configuration of fuel cell stack)
FIG. 3A is a configuration diagram of a
下段の並列モジュールと上段の並列モジュールとの間には、インターコネクタ30が配置されている。インターコネクタ30は、各並列モジュールの上側において各単セル10のカソード14に接触するように配置されている。それにより、並列モジュール内の各単セル10が各カソード14を介して並列接続されている。また、インターコネクタ30は、波板形状を有している。インターコネクタ30の波形の下段側への各凸部は、上段の単セル10に対応する位置かつ下段の隣接する2つの単セル10の間に位置するように配置されている。インターコネクタ30の波形の上段側への各凸部は、下段の単セル10に対応する位置かつ上段の隣接する2つの単セル10の間に位置するように配置されている。それにより、燃料電池スタック100が省スペース化される。また、インターコネクタ30は、上段の並列モジュールの各単セル10のカソード14とは接触せずに、当該並列モジュールの各単セル10の支持体11に接続されている。それにより、各並列モジュールの短絡が防止されている。インターコネクタ30と支持体11との接続については後述する。
An
図3(b)は、燃料マニホールド40を表す図である。燃料マニホールド40は、各単セル10に燃料ガスを供給するための流路または各単セル10を経由した後の燃料ガスを排出するための流路であり、各単セル10の長手方向の各端部に接続されている。それにより、各単セル10に並列的に燃料ガスが供給される。燃料マニホールド40の材質は特に限定されず、金属などであってもよく、耐熱材などであってもよい。
FIG. 3B is a diagram illustrating the
図4は、図3(a)のA−A線断面図である。図4を参照して、ケース20の内壁において、各単セル10の端部が位置する箇所に、各単セル10を保持する凸形状部21が設けられている。それにより、各単セル10の位置決めがなされる。凸形状部21は、支持体11の拡管部11bから端部までの部分よりも短く形成されている。また、各単セル10の下側のインターコネクタ30は、凸形状部21と支持体11との間に挿入されている。それにより、各単セル10のアノード12が並列接続される。また、拡管部11bが設けられることによって、単セル10の長手方向におけるインターコネクタ30の位置決めがなされるとともに、インターコネクタ30の脱落が防止される。
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. Referring to FIG. 4, a
凸形状部21は、セラミックスなどの絶縁性材料によって構成される。また、凸形状部21は、ガスシールの信頼性の観点から、燃料マニホールド40と同程度のまたは同一の線熱膨張係数の材料によって構成されることが好ましい。燃料マニホールド40と凸形状部21との間は、シール剤によってガスシールされ、ボルトなどによって締結されている。
The
凸形状部21と支持体11とは、ガラス系ペーストなどの接着剤50によって接着されている。それにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが隔離される。例えば、各単セル10の一方の端部において、溶解したガラス系ペーストで凸形状部21と支持体11とを接着固定し、その後に各単セル10の他方の端部において、溶解したガラス系ペーストで凸形状部21との支持体11とを接着固定してもよい。この場合、各単セル10を一括して固定することができる。
The
なお、図4を参照して、インターコネクタ30は、上段並列モジュールの各支持体11とは接触しているが、カソード14とは接触していない。また、インターコネクタ30は、弾性を有し、付勢されていない状態(フリー形状)で下段の並列モジュール側に突出するように湾曲している。それにより、インターコネクタ30は、下段のカソード14と接触する際に、接触圧によって付勢される。すなわち、インターコネクタ30は、バネとして機能する。それにより、単セル10の熱膨張による寸法変化を吸収することができる。
Referring to FIG. 4,
再度、図3(a)を参照して、最下段の並列モジュールの下には、最下段のインターコネクタ30が配置されている。このインターコネクタ30は、最下段の並列モジュールの各単セル10のカソード14と接触せずに、当該並列モジュールの各単セル10の支持体11に接続されている。さらに、当該インターコネクタ30は、集電板ターミナル60に接触している。最上段の並列モジュールの上には、図示しないカソード側の集電板ターミナルが接触している。それにより、各並列モジュールの発電電力を取り出すことができる。
Referring to FIG. 3A again, the
集電板ターミナル60とケース20の内壁との間には、断熱部材70が配置されている。この場合、燃料電池スタック100の放熱を低減することができ、一方でケース20の温度上昇を抑制することができる。それにより、人体や周辺部品に対する安全性を図ることができる。また、弾力性を有する材料を断熱部材70に使用することによって、各単セル10の熱膨張を吸収することができる。
A
図5は、図3(a)のB−B線断面図である。図5を参照して、インターコネクタ30には複数の孔31が形成されている。それにより、酸化剤ガスが各並列モジュールに供給される。なお、図3(a)および図5を参照して、インターコネクタ30の波形の上段側への各凸部32は、単セル10が熱膨張した際にバネとして機能し、単セル10の熱膨張による寸法変化を吸収することができる。
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. Referring to FIG. 5, a plurality of
本実施形態によれば、インターコネクタ30は、並列モジュール内において各単セル10を並列接続させる機能と、各並列モジュールを直列接続させる機能とを併せ持っている。それにより、部品が簡素化され、部品間抵抗を低減することができる。また、各単セル10の組み付け性が向上する。また、必要に応じて並列接続によって定まる電流値と直列接続によって定まる電圧値とを自由に選択することができる。さらに、インターコネクタ30は、波板形状の凹凸を有することによって、各単セル10の熱膨張を吸収する機能も併せ持っている。なお、インターコネクタ30は、支持体11と同程度または同一の線熱膨張係数の材料で構成されていることが好ましい。支持体11の長手方向において、支持体11とインターコネクタ30との熱膨張差を抑制することができるからである。
According to the present embodiment, the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施形態では、支持体上にアノード、電解質膜、およびカソードが順に積層されているが、支持体上にカソード、電解質膜、およびアノードが順に積層されていてもよい。また、上記実施形態ではインターコネクタは波形断面を有しているが、隣接する並列モジュールの一方の並列モジュールの各カソードと接触せずに各支持体と接触し、他方の並列モジュールの各支持体と接触せずに各カソードと接触していれば、特に限定されるものではない。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims.・ Change is possible. For example, in the above embodiment, the anode, the electrolyte membrane, and the cathode are sequentially stacked on the support, but the cathode, the electrolyte membrane, and the anode may be sequentially stacked on the support. Moreover, in the said embodiment, although the interconnector has a waveform cross section, it contacts each support body without contacting each cathode of one parallel module of an adjacent parallel module, and each support body of the other parallel module As long as it is in contact with each cathode without being in contact with each other, there is no particular limitation.
10 単セル
11 支持体
11a 孔
11b 拡管部
12 アノード
13 電解質膜
14 カソード
20 ケース
21 凸形状部
30 インターコネクタ
40 燃料マニホールド
50 接着剤
60 集電板ターミナル
70 断熱部材70
100 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF
100 Fuel cell stack
Claims (6)
1枚の導電性部材であり、2段の並列モジュールの間に配置され、一方の並列モジュールの各金属支持体を接続し、前記一方の並列モジュールの各第2電極と接触せずに他方の並列モジュールの各第2電極と接触するインターコネクタと、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 A stack in which a plurality of parallel modules in which a plurality of cylindrical cells each having a first electrode, a solid oxide electrolyte, and a second electrode laminated on the outer periphery of a porous metal support are arranged in the width direction are laminated;
One conductive member, which is disposed between two parallel modules, connects each metal support of one parallel module, and does not contact each second electrode of the one parallel module and the other A fuel cell stack comprising: an interconnector that contacts each second electrode of the parallel module.
前記波板形状の前記他方の並列モジュール側への凸部は、前記他方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置することを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池スタック。 The interconnector has a corrugated cross section,
3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the corrugated convex portion toward the other parallel module is located between the cylindrical cells of the other parallel module. 4.
前記インターコネクタは、前記金属支持体の端部に接触していることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池スタック。 The first electrode is not formed up to the end of the metal support,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the interconnector is in contact with an end portion of the metal support.
前記インターコネクタは、前記拡径部よりも端側に接触していることを特徴とする請求項5記載の燃料電池スタック。 The metal support includes an enlarged diameter portion at the end,
6. The fuel cell stack according to claim 5, wherein the interconnector is in contact with an end side of the enlarged diameter portion.
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WO2015045682A1 (en) * | 2013-09-25 | 2015-04-02 | 株式会社デンソー | Fuel-cell anode and fuel cell |
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