JP2014179245A - 電気化学セルスタック装置および電気化学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受電部材が電気化学セルスタックとの良好な接触状態を維持でき、安価で信頼性の高い電気化学セルスタック装置を提供する。
【解決手段】 セル３が複数個立設して配列しセル３間が導電部材４により電気的に接続されているスタック２と、マニホールド２０と、スタック２の配列方向Ａの外側に接着される受電部材５と、保護カバー６とを具備し、受電部材５は、スタック２の幅方向に各々が延在し順に連結する第１導電体片５ａ、第２導電体片５ｂ、第３導電体片５ｃ、第４導電体片５ｄを基本要素としてセル３の軸方向に沿って繰り返し並置された形状からなり、第１導電体片５ａは最外セル３ａに接着され、第２導電体片５ｂは最外セル３ａから保護カバー６に傾斜して延び、第３導電体片５ｃは保護カバー６に接着され、第４導電体片５ｄは保護カバー６から最外セル３ａに向かい傾斜して延びるスタック装置１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学セルスタックを含む電気化学セルスタック装置および電気化学装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルの複数個を配列し、それぞれの燃料電池セルを電気的に接続してなる燃料電池セルスタック（装置）を収納容器に収納してなる燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。

かかる燃料電池装置においては、例えば、特許文献２のように、燃料電池セルスタックの両端の外側に、燃料電池セルスタックにて発生した電気を外部に取り出すための板状の受電部材を配設する。特許文献２の受電部材は、弾性変形可能なほど薄い薄板にすることによって、使用時に燃料電池セルが変形しても、燃料電池セルスタックと受電部材との良好な接触状態を維持できる。そして、その外側に、燃料電池セルスタックと受電部材とを機械的な衝撃から保護するための剛性の高い断熱材支持部材（保護カバー）を配置した燃料電池セルスタック装置が提案されている。

特開２００７−５９３７７号公報 国際公開第２００９／０４１５３２号パンフレット

特許文献２の受電部材は、燃料電池セルスタックとの良好な接触状態を維持するために、燃料電池セルスタックに対してもたれかかるように斜めに配置する必要がある。しかしながら、受電部材単体をマニホールドに埋設して燃料電池セルスタック装置を組み立てると、受電部材の立設角度を一様に揃えることが難しくなり、歩留りが低下するおそれがあった。そのため、受電部材の下端を保護カバーに溶接して、この溶接部を起点として受電部材の立設角度を自在に変えられるようにした構成が考えられる。しかしながら、溶接にかかるコストが高く、かつ溶接によって、溶接部が変質する場合もあり、強度が低下したり、抵抗が高くなったりする可能性もあった。

本発明の目的は、受電部材が電気化学セルスタックとの良好な接触状態を維持でき、安価で信頼性の高い電気化学セルスタック装置、およびこの電気化学セルスタック装置を収納してなる電気化学装置を提供することである。

本発明の電気化学セルスタック装置は、電気化学セルが複数個立設して配列しているとともに、隣接する前記電気化学セル間が導電部材により電気的に接続されている電気化学セルスタックと、複数個の前記電気化学セルの下端をそれぞれ固定しているとともに、該電気化学セルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、前記電気化学セルスタックの前記電気化学セルの配設方向における外側にそれぞれ接着されて電気的に接続される受電部材と、一対の前記受電部材それぞれの外側に設けられ、前記受電部材と接着されて電気的に接続されるとともに、下端が前記マニホールドに固定されている一対の保護カバーとを具備し、前記受電部材は、第１導電体片、第２導電体片、第３導電体片、第４導電体片
を基本要素として構成されるとともに、該第１〜第４導電体片の各々が前記電気化学セルスタックの幅方向に延びており、前記第１導電体片が、電気化学セルスタックを構成する複数の前記電気化学セルのうちの最外に位置する最外電気化学セルに接着され、前記第２導電体片が、前記最外電気化学セルから前記保護カバーに傾斜して延び、前記第３導電体片が、前記保護カバーに接着され、前記第４導電体片が、前記保護カバーから前記最外電気化学セルに向かって、前記第２導電体片とは反対の向きに傾斜して延び、前記基本要素を前記電気化学セルの軸方向に沿って複数連結してなるものである。

また、本発明の電気化学装置は、上記電気化学セルスタック装置を収納容器内に収納したものである。

本発明の電気化学セルスタック装置によれば、電気化学セルスタックの使用に伴って電気化学セルの変形があっても、受電部材が電気化学セルスタックとの良好な接触状態を維持できるとともに、安価で信頼性の高い受電部材を提供できる。

（ａ）燃料電池セルスタック装置の一例を概略的に示す燃料電池セルスタックの側面図、（ｂ）（ａ）の点線枠で囲った部分の一部拡大平面図である。 燃料電池セルスタック装置の他の一例についての（ａ）平面図、（ｂ）燃料電池セルスタック装置を配列方向から見た側面図である。 図１、２の燃料電池セルスタック装置に用いられる集電体の概略斜視図である。 図１、２の燃料電池セルスタック装置に用いられる受電部材の概略斜視図である。 受電部材を２枚用いた構成について、（ａ）燃料電池セルスタックの平面図、（ｂ）受電部材の積層構成を示す分解斜視図である。

以下に、本実施形態の電気化学セルを燃料電池セルとして用いる場合について説明する。

（燃料電池セルスタック装置）
図１は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セルスタック装置１を概略的に示す燃料電池セルスタックの側面図、（ｂ）は（ａ）の点線枠で囲った部分についての一部拡大平面図である。図２は燃料電池セルスタックを２つ組み込んだ燃料電池セルスタック装置における、（ａ）平面図、（ｂ）燃料電池セルスタック装置１を燃料電池セルの配列方向から見た側面図である。

燃料電池セルスタック装置１（以下、スタック装置１と略することがある。）は、図１（ａ）に示すように、燃料電池セル３（以下、セル３と略することがある。）の複数個が立設して配列しているとともに、隣接するセル３間に導電部材４を介して電気的に直列に接続した燃料電池セルスタック２（以下、スタック２と略することがある。）を有している。すなわち、隣接するセル３間に導電部材４が挟まれている。また、スタック２の下端は、セル３に反応ガス（燃料ガス等）を供給するマニホールド２０の上面に設けられた開口部に差し込まれて封止材２６で接着されることによって固定されており、固定されたセル３の封止材２６で接着された部分はセル３の内部以外が気密に封止されている。

また、図２によれば、スタック装置１は、セル３の配列方向Ａを互いに平行に、かつスタック装置１の同じ側の端で電流極性が逆となるようにスタック２が２つ並置されている
とともに、スタック装置１の同じ側の端に配置される電流引き出し部７同士のうちのどちらか片方を導電性の連結部材２３により連結されてなる。そして、導電性の連結部材２３をネジ２４で螺着して連結することで、２つのスタック２を電気的に直列に接続している。なお、図２によれば、マニホールド２０は、内部に空洞を有する部材（台座）４５の２つの開口部に、スタック２の下端を挿入するための２つの枠体４６をそれぞれ嵌め込んで固定した構造からなる。２つのスタック２の下端は２つの枠体４６内にそれぞれ嵌め込まれて、封止材２６で接着されている。これにより、１つの反応ガス供給管よりスタック装置１のマニホールド２０内に反応ガス（燃料ガス）を供給することができる。

（燃料電池セル）
ここで、セル３は、図１（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板１２（以下、支持基板１２と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層８、固体電解質層９及び空気側電極層１０を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１１が設けられており、支持基板１２の内部には、燃料電池セル３に燃料ガスを流すためのガス流路１３が設けられている。さらに、インターコネクタ１１の外面（上面）にはＰ型半導体層１４が設けられている。Ｐ型半導体層１４を介して、導電部材４をインターコネクタ１１に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。また、支持基板１２は燃料側電極層８を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層９および空気側電極層１０を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。

なお、本発明において、セル３は各種燃料電池セルが知られているが、発電効率のよい燃料電池セルとする上で、上記構成からなる固体酸化物形燃料電池セルが好適に採用できる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

燃料側電極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層９は、燃料側電極層８、空気側電極層１０間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気側電極層１０は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気側電極層１０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持基板１２としては、燃料ガスを燃料側電極層８まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１１を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持基板１２としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。セル３を作製するにあたり、燃料側電極層８または固体電解質層９との同時焼成により支持基板１２を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板１２を形成することが好ましい。また、図１に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持基板１２は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板１２は、ガス透過性を備える
ために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板１２の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１１は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１１は支持基板１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および支持基板１２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材４は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。図３は、導電部材４の一例を示したものである。図３に示した導電部材４は、セル３の長手方向に沿った一対の接続部４ａと、一対の接続部４ａ間を連結するように設けられた隣接するセル３と接触するための板状をした複数の接触部４ｂとを有する形状からなる。

（受電部材）
本実施態様によれば、図１（ｂ）、図２（ａ）に示すように、受電部材５は、スタック２におけるセル３の配列方向Ａの両端の外側に一対設けられ、それぞれがスタック２に電気的に接続されている。受電部材５は、図４に示すように、順に連結される第１導電体片５ａと、第２導電体片５ｂと、第３導電体片５ｃと、第４導電体片５ｄと、を基本要素として、各々が略幅方向（図２のＷ方向とほぼ同じ方向）に延びているとともに、この基本要素が図１の軸方向Ｏに沿って連結された、すなわち基本要素が繰り返し並置された形状からなる。

そして、図１（ｂ）、図２（ａ）に示すように、第１導電体片５ａが隣接するスタック２の最外に位置する最外燃料電池セル（以下、最外セルと省略する場合がある。）３ａの平坦面に接着され、第２導電体片５ｂが最外セル３ａの平坦面から後述する保護カバー６に傾斜して延び、第３導電体片５ｃが保護カバー６に接着され、第４導電体片５ｄが保護カバー６から最外セル３ａの平坦面に向かって、第２導電体片５ｂとは反対の向きに傾斜して延びるように配置される。

これによって、スタック２の使用に伴ってセル３の変形があっても、受電部材５がセル３との良好な接触状態を維持できるとともに、従来の受電部材のように保護カバー６と溶接しないので、安価で機械的信頼性および電気的信頼性の高い受電部材５となる。

受電部材５は弾性変形可能な薄さ・形状であり、セル３と広い面積で接触できるので、セル３の発電により生じる電流が効率よく流れることとなる。また、受電部材５は弾性があって撓むことができるので、スタック２が使用により変形しても、スタック２に安定し
て接続される。つまり、セル３は製造時に大気中で焼成した後、予め還元処理を施す処理を行うが、セル３の側面に存在するインターコネクタ１１と導電性支持基板１２や空気側電極層１０等との還元による膨張差により、これらの変形量に差が生じ、セル３に反り等の変形が生じる場合がある。しかしながら、受電部材５が弾性変形可能であるために、燃料電池セル３の変形に追従して受電部材５が変形する。本実施態様では、受電部材５の板厚は０．２５〜１．５ｍｍである。

また、本実施態様では、受電部材５の下側は、マニホールド２０に接触しない長さ、すなわちマニホールド２０の上面に対して離間する長さとされているが、受電部材５の下側がセル３とともにマニホールド２０内に差し込まれて封止材２６で接着・固定されていてもよい。

ここで、受電部材５は弾性変形可能な部材であればよく、かつ燃料電池セル３の発電により生じる電流を効率よく流すために導電性であることが必要であり、例えば、金属またはステンレス等の合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。必要に応じて、これに耐熱性の皮膜を被覆したものを利用することもできる。さらに、受電部材５の軸Ｏ方向の長さは、スタック２の端部に位置する最外セル３ａが変形しても後述する保護カバー６に接触することを抑制するとともに、セル３の発電により生じた電流を効率よく受電するために、マニホールド２０に固定された状態で、セル３の電極の上端部と同じ高さ、もしくはそれ以上の高さとなるようにするのが好ましい。さらに、受電部材５の幅方向の幅（図４のｗ）は、図２（ａ）に示すように、セル３の幅と同じ幅、もしくはそれ以上の幅とするのが好ましい。さらに、図４の受電部材５の配列方向Ａ方向の長さ（図４のＬ）は、２〜５ｍｍである。

また、図５に示すように、スタック２の両端の少なくとも一方に受電部材５が複数枚設けられていてもよい。これによって、受電部材５はセル３の変形に対して、より良好に追従する。スタック２の変形に追従するように、スタック２の両端の受電部材５の枚数を調整すればよい。このとき、本実施態様によれば、複数の受電部材５、５’間には薄板１５が設けられ、受電部材５、薄板１５、受電部材５’間が接着されている。これによって、複数の受電部材５、５’間の対向する位置にずれがあっても、薄板１５を介在させることによって、複数の受電部材５、５’間を良好に接着することができる。なお、図５（ｂ）は、複数の受電部材５、５’間に薄板１５が設けられた構造の分解斜視図であるが、図５（ｂ）において、薄板１５の下方に位置する受電部材５’は点線で記載した。

（保護カバー）
受電部材５の外側には図１、２に示す保護カバー６、１６があり、スタック２の周囲に置かれる断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、受電部材５およびスタック２を保護する。本実施態様によれば、図１（ａ）、図２（ａ）に示すように、保護カバー６、１６は一対設けられ、それぞれの保護カバー６、１６がスタック２の終端に位置する一対の受電部材５をセル３の配列方向Ａの両端の外側から覆っている。保護カバー６、１６は、受電部材５の第３導電体片５ｃと接着、固定され、かつ電気的に接続される。

保護カバー６、１６の下端側は、マニホールド２０に埋設されて、気密に封止され、固定されている。本実施態様によれば、保護カバー６、１６の少なくともマニホールド２０に固定、封止されている部位において、保護カバー６、１６の縁部（図２（ａ）のＸ部）が面取りされ、接着部材でマニホールド２０に接着されている。これによって、保護カバー６の縁部からマニホールド２０の固定部にクラックが発生することを抑制して、高い気密性を維持することができる。

また、本実施態様によれば、図１、２に示すように、保護カバー６からセル３の配列方向Ａに沿って外側に向けて延びる電流引き出し部７が設けられている。これによって、受電部材５が受けたスタック２の電気をスタック装置１の外部に引き出すことができる。

なお、図１の保護カバー６はセル３の配列方向Ａから見ると、長方形の平板形状であるが、図２の保護カバー１６のように、セル３の配列方向Ａから見て長方形の平板部と、その両端から配列方向Ａにスタック２に向かって延びる一対の突き出し部とからなる形状であってもよい。図２の保護カバー１６の形状であれば、保護カバーの強度が高く、変形しにくい。

（マニホールド）
マニホールド２０の形状は、セル３が立設する側の表面にスタック２の下部を挿入するための開口部を有する形状や、各セル３や保護カバー６が立設されるそれぞれの位置に対応した複数の挿入孔等を有する天板部を具備する形状等が挙げられる。

（燃料電池装置）
さらに、上述したスタック装置１を、収納容器内に収納した燃料電池装置においても、セル３が変形しても、受電部材５がスタック２との良好な接触状態を維持でき、長期信頼性が向上した燃料電池装置となる。

なお、上記形態では燃料電池セルスタックおよび燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ_２）を生成する電解セル（ＳＯＥＣ）を備える電解セルスタック装置および電解装置にも適用することができる。

１ 燃料電池セルスタック装置（スタック装置）
２ 燃料電池セルスタック（スタック）
３ 燃料電池セル（セル）
３ａ 最外燃料電池セル（最外セル）
４ 導電部材
４ａ 接続部
４ｂ 接触部
５、５’ 受電部材
５ａ 第１導電片
５ｂ 第２導電片
５ｃ 第３導電片
５ｄ 第４導電片
６、１６ 保護カバー
７ 電流引き出し部
８ 燃料側電極層
９ 固体電解質層
１０ 空気側電極層
１１ インターコネクタ
１２ 導電性支持基板（支持基板）
１３ ガス流路
１４ Ｐ型半導体層
１５ 薄板
２０ マニホールド
３３ 第１導電体片
３４ 第２導電体片
３５ 第３導電体片
３６ 第４導電体片
４５ 台座
４６ 枠体

Claims (6)

1. 電気化学セルが複数個立設して配列しているとともに、隣接する前記電気化学セル間が導電部材により電気的に接続されている電気化学セルスタックと、
   複数個の前記電気化学セルの下端をそれぞれ固定しているとともに、該電気化学セルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、
   前記電気化学セルスタックの前記電気化学セルの配設方向における外側にそれぞれ接着されて電気的に接続される受電部材と、
   一対の前記受電部材それぞれの外側に設けられ、前記受電部材と接着されて電気的に接続されるとともに、下端が前記マニホールドに固定されている一対の保護カバーと
   を具備し、
   前記受電部材は、第１導電体片、第２導電体片、第３導電体片、第４導電体片を基本要素として構成されるとともに、該第１〜第４導電体片の各々が前記電気化学セルスタックの幅方向に延びており、
   前記第１導電体片が、電気化学セルスタックを構成する複数の前記電気化学セルのうちの最外に位置する最外電気化学セルに接着され、
   前記第２導電体片が、前記最外電気化学セルから前記保護カバーに傾斜して延び、
   前記第３導電体片が、前記保護カバーに接着され、
   前記第４導電体片が、前記保護カバーから前記最外電気化学セルに向かって、前記第２導電体片とは反対の向きに傾斜して延び、
   前記基本要素を前記電気化学セルの軸方向に沿って複数連結してなる電気化学セルスタック装置。
2. 前記受電部材が前記電気化学セルスタックの前記配列方向における外側の少なくとも一方に複数枚設けられている請求項１に記載の電気化学セルスタック装置。
3. 前記複数の受電部材間に薄板が設けられ、一方の前記受電部材と前記薄板と他方の前記受電部材とが順に接着されている請求項２に記載の電気化学セルスタック装置。
4. 前記保護カバーは前記配列方向の外側に向けて延びる電流引き出し部を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の電気化学セルスタック装置。
5. 前記保護カバーの少なくとも前記マニホールドに固定されている部位において、前記保護カバーの縁部が面取りされ、接着部材で前記マニホールドに接着されている請求項１乃至４のいずれかに記載の電気化学セルスタック装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の電気化学セルスタック装置を収納容器内に収納してなる電気化学装置。

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