JP2018163830A - Current collection structure for fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルの集電構造に関する。 The present invention relates to a current collecting structure for a fuel cell.
従来、この種の燃料電池セルの集電構造としては、円筒状の内側電極層と、円筒状の外側電極層と、内側電極層と外側電極層との間に配置される電解質層とを備える円筒形の燃料電池セルにおいて、燃料電池セルの端部に集電用の内側電極端子(キャップ)が取り付けられたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。内側電極層には、その端部において、電解質層および外側電極層が被覆されない露出部が設けられる。キャップは、カップ状(有底円筒部材)に形成され、カップの円筒部の内周面および底部の内面と、内側電極層の露出部の外周面および端面との間に、銀シール材が充填されている。 Conventionally, a current collecting structure of this type of fuel cell includes a cylindrical inner electrode layer, a cylindrical outer electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the inner electrode layer and the outer electrode layer. A cylindrical fuel cell has been proposed in which an inner electrode terminal (cap) for current collection is attached to an end of the fuel cell (for example, see Patent Document 1). The inner electrode layer is provided with an exposed portion that is not covered with the electrolyte layer and the outer electrode layer at the end thereof. The cap is formed in a cup shape (bottomed cylindrical member) and filled with a silver seal material between the inner peripheral surface of the cylindrical portion of the cup and the inner surface of the bottom portion, and the outer peripheral surface and end surface of the exposed portion of the inner electrode layer. Has been.
上述した燃料電池セルの集電構造では、内側電極層とキャップとの間のクリアランスが小さいため、銀シール材を充填しようとしても、内側電極層とキャップとの間に空気が残存し易い。また、銀シール材としてペーストを用いた場合、焼成過程において、体積収縮が起こり、ヒケ(凹痕)が発生するおそれがある。内側電極層とキャップとの間にこうした空気やヒケが生じると、内側電極層とシール材との接触面積が小さくなり、内側電極層とキャップとの間の電気抵抗が増大し、セルの性能低下を招いてしまう。 In the fuel cell current collection structure described above, since the clearance between the inner electrode layer and the cap is small, air tends to remain between the inner electrode layer and the cap even if an attempt is made to fill the silver sealing material. Further, when a paste is used as the silver sealing material, volume shrinkage may occur in the firing process, and sink marks (concave marks) may be generated. If such air or sink marks occur between the inner electrode layer and the cap, the contact area between the inner electrode layer and the sealing material is reduced, the electrical resistance between the inner electrode layer and the cap increases, and the cell performance decreases. Will be invited.
本発明の燃料電池セルの集電構造は、燃料電池セルとキャップとの間の導電性が良好な集電構造を提供することを主目的とする。 The main object of the current collecting structure of the fuel cell of the present invention is to provide a current collecting structure with good conductivity between the fuel cell and the cap.
本発明の燃料電池セルの集電構造は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The current collecting structure of the fuel cell according to the present invention employs the following means in order to achieve the main object described above.
本発明の燃料電池セルの集電構造は、筒状の内側電極層と、筒状の外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層との間に配置される電解質層とを有する筒状の燃料電池セルの集電構造であって、前記燃料電池セルの端部に嵌合されて前記内側電極層と電気的に接続される導電性のキャップを有し、前記キャップは、環状の底部と、該底部の外周側から筒状に延在する筒状部とを有し、前記底部の内面および前記筒状部の内周面がそれぞれ前記燃料電池セルの端部の端面および外周面を囲むように嵌合され、前記底部の内面および前記筒状部の内周面と、前記燃料電池セルの端部の端面および外周面との間に、両者を電気的に接合する導電性接合層が配置され、前記内側電極層の内周面に、前記導電性接合層と電気的に接続される集電層が配置されることを要旨とする。 A current collecting structure for a fuel cell according to the present invention includes a cylindrical inner electrode layer, a cylindrical outer electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the inner electrode layer and the outer electrode layer. A fuel cell current collecting structure having a conductive cap that is fitted to an end of the fuel cell and electrically connected to the inner electrode layer, the cap having an annular shape A bottom portion and a cylindrical portion extending in a cylindrical shape from an outer peripheral side of the bottom portion, and an inner surface of the bottom portion and an inner peripheral surface of the cylindrical portion are an end surface and an outer peripheral surface of an end portion of the fuel cell, respectively. Between the inner surface of the bottom portion and the inner peripheral surface of the cylindrical portion, and the end surface and outer peripheral surface of the end portion of the fuel cell, and electrically conductive bonding. And a current collecting layer electrically connected to the conductive bonding layer is disposed on the inner peripheral surface of the inner electrode layer. And summarized in that the location.
この本発明の燃料電池セルの集電構造では、キャップは、その底部の内面および筒状部の内周面がそれぞれ燃料電池セルの端部の端面および外周面を囲むように嵌合される。そして、キャップの底部の内面および筒状部の内周面と、燃料電池セルの端部の端面と外周面との間に、両者を電気的に接合する導電性接合層が配置され、内側電極層の内周面に、導電性接合層と電気的に接続される集電層が配置される。このように、内側電極層の内周面に導電性接合層と電気的に接続される集電層を配置することにより、内側電極層と導電層(接合層,集電層)との電気的な接触面積を十分に確保することができる。この結果、燃料電池セルとキャップとの間の導電性を良好なものとすることができる。 In the current collecting structure of the fuel cell according to the present invention, the cap is fitted so that the inner surface of the bottom and the inner peripheral surface of the cylindrical portion surround the end surface and the outer peripheral surface of the end of the fuel cell, respectively. A conductive bonding layer is disposed between the inner surface of the bottom of the cap and the inner peripheral surface of the cylindrical portion, and the end surface and outer peripheral surface of the end portion of the fuel cell, and the inner electrode. A current collecting layer electrically connected to the conductive bonding layer is disposed on the inner peripheral surface of the layer. In this way, by arranging the current collecting layer electrically connected to the conductive bonding layer on the inner peripheral surface of the inner electrode layer, the electric connection between the inner electrode layer and the conductive layer (bonding layer, current collecting layer) is achieved. A sufficient contact area can be ensured. As a result, the electrical conductivity between the fuel battery cell and the cap can be improved.
こうした本発明の燃料電池セルの集電構造において、前記導電性接合層および前記集電層は、同一材料により形成されるものとしてもよい。温度変化に対する導電性接合層と集電層との熱膨張差をなくして熱応力を低減し、両者の電気的な接続を良好に保つことができる。 In the current collecting structure of the fuel battery cell of the present invention, the conductive bonding layer and the current collecting layer may be formed of the same material. It is possible to eliminate the thermal expansion difference between the conductive bonding layer and the current collecting layer with respect to the temperature change, thereby reducing the thermal stress and maintaining good electrical connection between the two.
また、本発明の燃料電池セルの集電構造において、前記導電性接合層および前記集電層は、導電性ペーストにより形成されるものとしてもよい。こうすれば、内側電極層の内周面に集電層をより容易に配置することができる。 In the current collecting structure of the fuel battery cell of the present invention, the conductive joining layer and the current collecting layer may be formed of a conductive paste. If it carries out like this, a current collection layer can be arrange | positioned more easily on the internal peripheral surface of an inner side electrode layer.
次に、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。 Next, modes for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本実施形態の燃料電池セル40を有する発電モジュール10の構成の概略を示す構成図であり、図2は図1の発電モジュール10における二点鎖線の円部分の断面を拡大して示す断面図である。発電モジュール10は、図1に示すように、水蒸気を生成する気化器22と、天然ガスやLPガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む燃料ガス(改質ガス)を生成する改質器24と、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する複数の燃料電池セル40がスタッキングされた燃料電池スタック30と、燃料ガス供給管26を介して改質器24と接続され改質器24からの燃料ガスを各燃料電池セル40に分配する燃料ガスマニホールド34と、酸化剤ガスを各燃料電池セル40に分配する酸化剤ガスマニホールド38と、を備え、これらは、モジュールケース11に収容されている。なお、発電モジュール10は、その発電に伴って発生した熱を回収して給湯する図示しない給湯ユニット(貯湯タンク)と組み合わされることにより、燃料電池システムを構成する。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the configuration of a
モジュールケース11は、断熱性材料により箱形に形成され、原燃料ガス供給管12と改質水供給管14と空気供給管16とが接続されている。原燃料ガス供給管12は、供給源からの原燃料ガスを気化器22へ供給する配管であり、その配管には開閉弁やポンプ、流量計、圧力計、脱硫器などが設けられている。改質水供給管14は、改質水を気化器22へ供給する配管であり、その配管には改質水タンクやポンプなどが設けられている。空気供給管16は、酸化剤ガスとしてのエアを酸化剤ガスマニホールド38へ供給する配管であり、その配管にはエアブロワや流量計などが設けられている。
The
また、モジュールケース11には、気化器22による水蒸気の生成や改質器24による水蒸気改質反応などに必要な熱を供給するための燃焼部28が設けられている。燃焼部28は、燃料電池セル40の発電反応に利用されなかった余剰の燃料ガス(アノードオフガス)および酸化剤ガス(カソードオフガス)を点火して燃焼させることにより、燃焼熱を用いて気化器22や改質器24を加熱する。燃焼部28の燃焼により生成される燃焼排ガスは、モジュールケース11の上部に設けられた燃焼排ガス排出管18を介してケース外へ排出される。なお、燃焼排ガス排出管18には図示しない熱交換器が接続され、熱交換器は、循環配管を介して貯湯タンクから供給される貯湯水を燃焼排ガスとの熱交換によって加温する。また、熱交換器を通過した燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって凝縮され、その凝縮水が改質水タンクへ回収される。
Further, the
燃料電池セル40は、図2に示すように、酸素イオン伝導体からなる緻密構造の円筒状の電解質層42と、電解質層42の内側に積層されたアノードとしての多孔質構造の燃料電極層(内側電極層)44と、電解質層42の外側に積層されたカソードとしての多孔質構造の酸化剤極層(外側電極層)46と、を備える円筒形の固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)セルとして構成されており、長手方向における両端部には燃料電極層44と電気的に接続されるよう集電用のキャップ50が取り付けられている。燃料電極層44の内部には燃料ガスが流れる燃料ガス流路44aが形成されており、燃料電池セル40は、図1に示すように、燃料ガス流路44aと燃料ガスマニホールド34とが連通するように燃料ガスマニホールド34の支持板36に立設されている。また、図2に示すように、燃料電極層44は、端部において、電解質層42および酸化剤極層46が被覆されていない露出部44bが設けられている。
As shown in FIG. 2, the
電解質層42は、例えば、Y,Sc,Ceなどの希土類元素から選ばれる1種または2種以上をドープした安定化ジルコニア、Gd,Y,Smなどの希土類元素から選ばれる1種または2種以上をドープしたセリア、Ni,Sr,Mg,Co,Fe,Cuから選ばれる1種または2種以上をドープしたランタンガレート、などを用いることができる。
The
燃料電極層44は、例えば、NiやFeなどの触媒金属とY,Sc,Ceなどの希土類元素から選ばれる1種または2種以上をドープした安定化ジルコニアとの混合体、NiやFeなどの触媒金属とGd,Y,Smなどの希土類元素から選ばれる1種または2種以上をドープしたセリアとの混合体、NiやFeなどの触媒金属とSr,Mg,Co,Fe,Cuから選ばれる1種または2種以上をドープしたランタンガレートとの混合体、などを用いることができる。
The
酸化剤極層46は、例えば、Sr,Caから選ばれる1種または2種をドープしたランタンマンガナイト、Sr,Co,Ni,Cuから選ばれる1種または2種以上をドープしたランタンフェライト、Sr,Fe,Ni,Cuから選ばれる1種または2種以上をドープしたランタンコバルタイト、Sr,Feから選ばれる1種または2種をドープしたバリウムコバルタイト、銀、銀−パラジウム合金、白金、などを用いることができる。
The
なお、電解質層42と酸化剤極層46との間には、ガドリニウムをドープしたセリア(GDC)、イットリアをドープしたセリア(YDC)、サマリウムをドープしたセリア(SDC)などの希土類をドープしたセリア混合体を用いた反応防止層を設けることも好適である。
Between the
キャップ50は、例えば、フェライト系ステンレスなどの金属材料により形成され、図2に示すように、環状の底部52と、底部52の外周側から円筒状に延在する円筒部54と、底部52の内周側から円筒部54とは逆方向に円筒状に延在する突起部56とを有する。キャップ50は、底部52の内面と円筒部54の内周面とがそれぞれ燃料電池セル40の端部40aにおける端面と外周面とを囲むように燃料電池セル40に嵌合される。キャップ50の底部52と燃料電池セル40の端部40aの端面との間と、キャップ50の円筒部54の内周面と燃料電池セル40の端部40a(燃料電極層44の露出部44b)の外周面との間は、導電性接合層62によって、電気的に接続されると共に燃料電極層44の内部の燃料ガス流路44aを流れる燃料ガスが外側(酸化剤極層46側)へリークしないようシールされる。また、燃料電池セル40の端部40a(燃料電極層44の露出部44b)の内周面には、導電性接合層62と電気的に接続される集電層64が配置される。導電性接合材62および集電層64は、例えば、白金、銀、銅、銀−パラジウム合金などの導電性ペーストやランタンクロマイトなどの導電性セラミックを用いて形成することができる。本実施形態では、導電性接合材62および集電層64は、それぞれ同種の材料により形成されるものとした。また、導電性接合層62の上端面は、ガラスシール層66によって被覆されている。ガラスシール層66は、例えば、アルミナ−シリカ系結晶化ガラスなどの耐熱性およびシール性に優れた結晶化ガラスを用いることができる。なお、ガラスシール層66を設けないものとしてもよい。
The
接続板32は、例えば、フェライト系ステンレスなどの金属材料により形成され、図1に示すように、互いに隣接する2つの燃料電池セル40のうち一方の燃料電池セル40のキャップ50(燃料電極層44)と他方の燃料電池セル40の酸化剤極層46とを電気的に接続する。複数の燃料電池セル40は、互いに隣接する2つの燃料電池セル40が接続板32を介して連結されることにより、電気的に直列に接続される。
The
燃料ガスマニホールド34は、上部が開口した箱型の部材であり、上部の開口を塞いで密閉空間を形成するよう支持板36が接合されている。支持板36は、複数の貫通孔36aが所定間隔で形成されており、それぞれの貫通孔36aにキャップ50の突起部56が貫通するよう燃料電池セル40が挿入されることにより、複数の燃料電池セル40を立設した状態で支持する。これにより、燃料ガスマニホールド34は、各燃料電池セル40の燃料ガス流路44aと中空のキャップ50を介して連通し、燃料ガス供給管26から供給される燃料ガスを各燃料電池セル40の燃料ガス流路44aに供給(分配)する。燃料ガス流路44aに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路44aを通過し、上側のキャップ50から上方へ排出される。燃料電池セル40を通過した余剰の燃料ガスは、上述したように、酸化剤ガスと共に燃焼部28にて燃焼され、燃焼排ガスとして燃焼排ガス排出管18へ排出される。支持板36は、例えば、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼などの金属材料により形成したり、絶縁性セラミックなど絶縁性材料により形成したりすることができる。なお、支持板36を金属材料により形成する場合、燃料電池セル40の下側のキャップ50と支持板36の貫通孔36aとを電気的に絶縁するため、貫通孔36aに絶縁性のシール部材を設けるものとしてもよい。
The
燃料電池セル40と支持板36との間、すなわちキャップ50の底部52の外面と支持板36の上面との間には、ガラスシール部37が形成されている。ガラスシール部37は、例えば、アルミナ−シリカ系結晶化ガラスなどの耐熱性およびシール性に優れた結晶化ガラスを用いて形成することができる。
A
酸化剤ガスマニホールド38は、空気供給管16と接続されており、各燃料電池セル40の酸化剤極層46に酸化剤ガス(空気)を分配するための複数の供給口38aが形成されている。
The
燃料電池セル40とキャップ50との導電性について以下の実験を行なった。
The following experiment was conducted on the conductivity between the
実施例
燃料電池セル40の端部40aの内周面(燃料電極層44の内周面)に銀−パラジウム合金からなる導電性ペーストを塗布し、燃料電池セル40(端部40aの端面および外周面)とキャップ50(底部52の内面および円筒部54の内周面)との間に銀−パラジウム合金からなる導電性ペーストを充填し、導電性ペーストを850℃で焼成し、キャップ50の外周面および燃料電池セル40におけるキャップ50の装着側とは反対側の端部(燃料電極層44)に配線を取り付け、還元雰囲気にて電気抵抗を測定した。電気抵抗は、700℃のときに8.8mΩであった。
Example A conductive paste made of a silver-palladium alloy was applied to the inner peripheral surface (the inner peripheral surface of the fuel electrode layer 44) of the
比較例
燃料電池セル40(端部40aの端面および外周面)とキャップ50(底部52の内面および円筒部54の内周面)との間に銀−パラジウム合金からなる導電性ペーストを充填し、導電性ペーストを850℃で焼成し、キャップ50の外周面および燃料電池セル40におけるキャップ50の装着側とは反対側の端部(燃料電極層44)に配線を取り付け、還元雰囲気にて電気抵抗を測定した。電気抵抗は、700℃のときに10.3mΩであった。
Comparative Example A conductive paste made of a silver-palladium alloy is filled between the fuel cell 40 (the end surface and the outer peripheral surface of the
以上説明した本実施形態の燃料電池セル40の集電構造によれば、キャップ50は、その底部52の内面および円筒部54の内周面がそれぞれ燃料電池セル40の端部40aの端面および外周面を囲むように嵌合される。そして、キャップ50の底部52の内面および円筒部54の内周面と、燃料電池セル40の端部40aの端面と外周面との間に、両者を電気的に接合する導電性接合層62が配置され、燃料電極層44の内周面に、導電性接合層62と電気的に接続される集電層64が配置される。このように、燃料電極層44の内周面に導電性接合層62と電気的に接続される集電層64を配置することにより、燃料電極層44と導電層(導電性接合層62,集電層64)との電気的な接触面積を十分に確保することができる。この結果、燃料電池セル40とキャップ50との間の導電性を良好なものとすることができる。
According to the current collecting structure of the
しかも、導電性接合層62および集電層64は、同種の材料により形成されるため、温度変化に対する導電性接合層62と集電層64との熱膨張差をなくして熱応力を低減し、両者の電気的な接続を良好に保つことができる。
Moreover, since the
本実施形態では、導電性接合層62および集電層64は、同種の材料により形成されるものとしたが、異なる材料により形成されてもよい。この場合、互いの熱膨張係数が近い材料(例えば、熱膨張率係数の差が0.5ppm以内の材料)を選定するのが望ましい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、燃料電池セル40やキャップ50は、円筒状に形成されるものとしたが、筒状であれば、例えば角筒状など如何なる形状に形成されるものとしてもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。本実施形態では、電解質層42が「電解質層」に相当し、燃料電極層44が「内側電極層」に相当し、酸化剤極層46が「外側電極層」に相当し、燃料電池セル40が「燃料電池セル」に相当し、キャップ50が「キャップ」に相当し、底部52が「底部」に相当し、円筒部54が「筒状部」に相当し、導電性接合層62が「導電性接合層」に相当し、集電層64が「集電層」に相当する。
The correspondence between the main elements of the present embodiment and the main elements of the invention described in the column of means for solving the problem will be described. In the present embodiment, the
以上、本発明を実施するための形態について用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although it demonstrated using the form for implementing this invention, this invention is not limited at all to such embodiment, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can implement with a various form. Of course.
本発明は、燃料電池セルの製造産業などに利用可能である。 The present invention is applicable to the fuel cell manufacturing industry.
10 発電モジュール、11 モジュールケース、12 原燃料ガス供給管、14 改質水供給管、16 空気供給管、18 燃焼排ガス排出管、22 気化器、24 改質器、26 燃料ガス供給管、28 燃焼部、30 燃料電池スタック、32 接続板、34 燃料ガスマニホールド、36 支持板、36a 貫通孔、37 ガラスシール部、38 酸化剤ガスマニホールド、38a 供給口、40 燃料電池セル、42 電解質層、44 燃料電極層、44a 燃料ガス流路、44b 露出部、46 酸化剤極層、50 キャップ、52 底部、54 円筒部、56 突起部、62 導電性接合層、64 集電層、66 ガラスシール層。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池セルの端部に嵌合されて前記内側電極層と電気的に接続される導電性のキャップを有し、
前記キャップは、環状の底部と、該底部の外周側から筒状に延在する筒状部とを有し、前記底部の内面および前記筒状部の内周面がそれぞれ前記燃料電池セルの端部の端面および外周面を囲むように嵌合され、
前記底部の内面および前記筒状部の内周面と、前記燃料電池セルの端部の端面および外周面との間に、両者を電気的に接合する導電性接合層が配置され、
前記内側電極層の内周面に、前記導電性接合層と電気的に接続される集電層が配置される、
燃料電池セルの集電構造。 A current collecting structure for a cylindrical fuel cell having a cylindrical inner electrode layer, a cylindrical outer electrode layer, and an electrolyte layer disposed between the inner electrode layer and the outer electrode layer. ,
A conductive cap fitted to an end of the fuel cell and electrically connected to the inner electrode layer;
The cap includes an annular bottom portion and a cylindrical portion extending in a cylindrical shape from the outer peripheral side of the bottom portion, and an inner surface of the bottom portion and an inner peripheral surface of the cylindrical portion are the ends of the fuel cell, respectively. It is fitted so as to surround the end surface and outer peripheral surface of the part,
Between the inner surface of the bottom portion and the inner peripheral surface of the cylindrical portion, and the end surface and outer peripheral surface of the end portion of the fuel cell, a conductive bonding layer is disposed to electrically bond both,
A current collecting layer electrically connected to the conductive bonding layer is disposed on the inner peripheral surface of the inner electrode layer.
Current collecting structure of fuel cell.
前記導電性接合層および前記集電層は、同一材料により形成される、
燃料電池セルの集電構造。 A current collecting structure for a fuel cell according to claim 1,
The conductive bonding layer and the current collecting layer are formed of the same material.
Current collecting structure of fuel cell.
前記導電性接合層および前記集電層は、導電性ペーストにより形成される、
燃料電池セルの集電構造。 A current collecting structure for a fuel cell according to claim 1 or 2,
The conductive bonding layer and the current collecting layer are formed of a conductive paste.
Current collecting structure of fuel cell.
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