JP2018163831A

JP2018163831A - 燃料電池セルの集電構造

Info

Publication number: JP2018163831A
Application number: JP2017061055A
Authority: JP
Inventors: 充明加藤; Mitsuaki Kato
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-10-18

Abstract

【課題】燃料電池セルとキャップとの間の導電性を確保しつつガスシール性を良好とする。【解決手段】燃料電池セルの端部には、内側電極層（燃料電極層）と電気的に接続される導電性のキャップが嵌合される。キャップは、底部の内面と外筒部の内周面と内筒部の外周面がそれぞれ燃料電池セルの端部の端面と外周面と内周面とを囲むように嵌合される。そして、内筒部の外周面と燃料電池セルの端部の内周面との間に導電性接合層が配置され、外筒部の内周面と燃料電池セルの端部の外周面との間にシール層が配置される。これにより、燃料電池セルの端部の内周面（内側電極層）側をキャップの内筒部と電気的に接続して導電性を確保することができる。一方、燃料電池セルの端部の外周面側とキャップの外筒部との間にシール層を配置することにより、シール長さを十分に確保することができるため、ガスシール性を良好なものとすることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セルの集電構造に関する。

従来、この種の燃料電池セルの集電構造としては、内部に燃料ガスが流れるガス流路が形成された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。また、銀シール材の上端面は、緻密体としてのガラスコーティングによって被覆されている。

再公表特許ＷＯ２０１３／０４７６６７Ａ１

上述した燃料電池セルの集電構造では、銀シール材の上端面に被覆されたガラスコーティング（緻密体）の厚みが薄いため、一旦亀裂の起点が生じると、容易に亀裂が進展してしまう。これにより、銀シール材が還元雰囲気・酸化雰囲気に曝され、銀のバルク全体の広範囲に空孔（ポア）が発生する場合がある。この空孔は、銀中に拡散した水素と酸素とが結合して生じた水（水蒸気）によって誘発され、主として銀の結晶粒界によって形成されることから、それらが連接されることによる亀裂の生成およびその進展を銀中にも引き起こしてしまう。このように、銀が経時的に変質すると、シール機能が低下し、発電効率の低下を招くおそれがある。

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を確保しつつガスシール性が良好な集電構造を提供することを主目的とする。

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。

本発明の燃料電池セルの集電構造は、内部にガスが流れるガス流路が形成された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備え、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外筒部と、前記底部の内周側において前記外筒部の延在方向と同方向に筒状に延在する内筒部とを有し、前記底部の内面と前記外筒部の内周面と前記内筒部の外周面とがそれぞれ前記燃料電池セルの前記端部の端面と外周面と内周面とを囲むように嵌合され、前記内側電極層の内周面で該内側電極層と前記キャップとが電気的に接続されるよう前記内筒部の外周面と前記燃料電池セルの前記端部の内周面との間が導電性接合層によって接合され、前記外筒部の内周面と前記燃料電池セルの前記端部の外周面との間がシール層によってシールされていることを要旨とする。

この本発明の燃料電池セルの集電構造では、キャップは、底部の内面と外筒部の内周面と内筒部の外周面がそれぞれ燃料電池セルの端部の端面と外周面と内周面とを囲むように嵌合される。そして、内筒部の外周面と燃料電池セルの端部の内周面との間に導電性接合層が配置され、外筒部の内周面と燃料電池セルの端部の外周面との間にシール層が配置される。これにより、燃料電池セルの端部の内周面（内側電極層）側をキャップの内筒部と電気的に接続して導電性を確保することができる。一方、燃料電池セルの端部の外周面側とキャップの外筒部との間にシール層を配置することにより、シール長さを十分に確保することができるため、ガスシール性を良好なものとすることができる。

こうした本発明の燃料電池セルの集電構造において、前記電解質層は、緻密構造の電解質であり、前記内側電極層の外周面を端部まで覆うように形成されているものとしてもよい。こうすれば、緻密構造の電解質層により内側電極層内部の気密性を高めることができ、シールの信頼性をより向上させることができる。

また、本発明の燃料電池セルの集電構造において、前記シール層は、ガラスシール材により形成されるものとしてもよい。こうすれば、高温下においても十分なシール性を確保することができる。

さらに、本発明の燃料電池の集電構造において、前記導電性接合層は、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導電性接合層を容易に配置することができる。

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る。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。キャップ組み付け工程を示す説明図である。キャップ組み付けの様子を示す説明図である。他の実施形態のキャップ１５０の断面を示す断面図である。

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。

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。

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。

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。

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、燃料ガス流路４４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。燃料電極層４４は、その外周面が端部まで緻密構造の電解質層４２に被覆されており、電解質層４２は、その外周面が端部において酸化剤電極層４６に被覆されていない露出部４２ａが設けられている。

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。

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。

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。

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。

キャップ５０は、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外筒部５４と、底部５２の内周側から外筒部５４とは逆方向に円筒状に延在する突起部５６と、底部５２の内周側から外筒部５４と同方向に且つ外筒部５４と略同じ高さまで延在する内筒部５８とを有し、例えば、フェライト系ステンレスなどの金属材料により、底部５２と外筒部５４と突出部５６と内筒部５８とが一体的に形成された有底筒状体である。キャップ５０は、底部５２の内面と外筒部５４の内周面と内筒部５８の外周面とにより環状溝が形成され、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内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の端面とは接触しており、キャップ５０の内筒部５８と燃料電池セル４０の端部４０ａ（燃料電極層４４）との間は、導電性接合層６２によって電気的に接続され、キャップ５０の外筒部５４と燃料電池セル４０の端部４０ａ（電解質層４２）との間は、ガラスシール層６４によってシールされている。なお、キャップ５０の底部５２と燃料電池セル４０の端部４０ａの端面と間は、導電性接合層６２またはガラスシール層６４が介在されてもよい。導電性接合層６２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。また、導電性接合層６２として、導電性耐熱接着剤を用いるものとしてもよい。また、ガラスシール層６４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。なお、ガラスシール層６４として、非晶質ガラスや非晶質と結晶質とが混在したガラスを用いるものとしてもよい。

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。

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。

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。

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。

次に、燃料電池セル４０に対するキャップ５０の組み付け工程について説明する。図３はキャップ組み付け工程を示す説明図であり、図４はキャップ５０の組み付けの様子を示す説明図である。以下、図３のキャップ組み付け工程について図４を参照しながら説明する。キャップ組み付け工程は、まず、キャップ５０を準備する（Ｓ１００、図４（ａ）参照）。キャップ５０の製作は、例えば、板材を絞り加工によって底部５２と外筒部５４と突出部５６とを含む段付き円筒体として成形した後、段付き円筒体に内筒部５８を溶接することにより行なったり、板材を絞り加工によって底部５２と外筒部５４と内筒部５８とを含む円筒体として成形した後、円筒体に突出部５６を溶接することにより行なったり、円柱形状の基体を切削することにより行なったりすることができる。次に、キャップ５０の底部５２の内面と外筒部５４の内周面と内筒部５８の外周面とにより形成される環状溝に、燃料電池セル４０の端部４０ａを挿入する（Ｓ１１０、図４（ｂ）参照）。そして、キャップ５０の内筒部５８と燃料電池セル４０との間の隙間に導電性ペーストを充填すると共に（Ｓ１２０、図４（ｃ）参照）、キャップ５０の外筒部５４と燃料電池セル４０との間の隙間にガラスペーストを充填する（Ｓ１３０、図４（ｄ）参照）。導電性ペーストやガラスペーストの充填は、ディスペンサを用いてノズルから必要量だけ吐出することにより行なうことができる。そして、燃料電池セル４０とキャップ５０との組み付け体を焼成炉に入れ、炉内を所定温度（例えば８５０℃）まで昇温させることにより、導電性ペーストおよびガラスペーストを焼成し、導電性接合層６２およびガラスシール層６４を形成して（Ｓ１４０）、キャップの組み付けが完成する。

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、底部５２の内面と外筒部５４の内周面と内筒部５８の外周面がそれぞれ燃料電池セル４０の端部４０ａの端面と外周面と内周面とを囲むように嵌合される。そして、内筒部５８の外周面と燃料電池セル４０の端部４０ａの内周面との間が導電性接合層６２によって接合され、外筒部５８の内周面と燃料電池セル４０の端部４０ａの外周面との間がガラスシール層６４によってシールされる。これにより、燃料電池セル４０の端部４０ａの内周面（燃料電極層４４）側をキャップ５０の内筒部５８と電気的に接続して十分な導電性を確保することができる。一方、燃料電池セル４０の端部４０ａの外周面（電解質層４２）側とキャップ５０の外筒部５４との間にガラスシール層６４を配置することにより、シール長さを十分に確保することができ、ガスシール性を良好なものとすることができる。

しかも、緻密構造の電解質層４２により内周側の燃料電極層４４の外周面を端部まで覆うから、燃料電極層４４内部の気密性を高めることができ、シールの信頼性をより向上させることができる。

本実施形態では、電解質層４２は、内周側の燃料電極層４４の外周面を端部まで覆うように形成されるものとしたが、燃料電極層４４の端部（外周面）を覆わずに露出させてもよい。

本実施形態では、キャップ５０は、底部５２と外筒部５４と内筒部５８とが一体的に形成されるものとしたが、内筒部５８を、底部５２および外筒部５４に対して別体に構成するものとしてもよい。図５は、他の実施形態のキャップ１５０の断面を示す断面図である。他の実施形態のキャップ１５０は、図示するように、環状の底部１５２と、底部１５２の外周側から円筒状に延在する外筒部１５４とを含む有底円筒部材１５１と、底部１５２の内周径よりも小さな外径をもつ小径円筒部１５６（突出部に相当）と、底部１５２の内周径よりも大きな外径をもち小径円筒部１５６の端部から段差をもって円筒状に延在する大径円筒部１５８（内筒部に相当）とを含む段付き円筒部材１５５とを有する。有底円筒部材１５１には、その底部１５２の内径側（開口）を小径円筒部１５６が貫通するように段付き円筒部材１５５が挿入される。また、有底円筒部材１５１の底部１５２と段付き円筒部材１５５の段差部との間には、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などにより形成される導電性接合層１５９が配置される。有底円筒部材１５１と段付き円筒部材１５５は、例えば、いずれも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る。これにより、燃料電池スタック３０に温度変化が生じたときに有底円筒部材１５１と段付き円筒部材１５５との熱膨張差による熱応力を低減し、破損を抑制することができる。また、有底円筒部材１５１と段付き円筒部材１５５とは、異なる材料により形成されてもよい。この場合、熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ以内の材料を選定するのが望ましい。例えば、有底円筒部材１５１は、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、段付き円筒部材１５５は、ランタンクロマイトなどの導電性セラミックにより形成されるものとしてもよい。こうすれば、セラミックの低熱伝導率により外部（燃焼部２８）からの熱がキャップ１５０内の燃料電池セル４０や導電性接合層６２に伝わり難くなるため、これらの熱劣化を抑制することができる。

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。

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５０，１５０が「キャップ」に相当し、底部５２，１５２が「底部」に相当し、外筒部５４，１５４が「外筒部」に相当し、内筒部５８，大径円筒部１５８が「内筒部」に相当し、導電性接合層６２が「導電性接合層」に相当し、ガラスシール層６４が「シール層」に相当する。

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。

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。

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、４０ａ端部、４２電解質層、４２ａ露出部、４４燃料電極層、４４ａ燃料ガス流路、４６酸化剤極層、５０，１５０キャップ、５２，１５２底部、５４，１５４外筒部、５６突起部、５８内筒部、６２導電性接合層、６４ガラスシール層、１５１有底円筒部材、１５５段付き円筒部材、１５６小径円筒部、１５８大径円筒部、１５９導電性接合層。

Claims

内部にガスが流れるガス流路が形成された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備え、
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外筒部と、前記底部の内周側において前記外筒部の延在方向と同方向に筒状に延在する内筒部とを有し、前記底部の内面と前記外筒部の内周面と前記内筒部の外周面とがそれぞれ前記燃料電池セルの前記端部の端面と外周面と内周面とを囲むように嵌合され、
前記内側電極層の内周面で該内側電極層と前記キャップとが電気的に接続されるよう前記内筒部の外周面と前記燃料電池セルの前記端部の内周面との間が導電性接合層によって接合され、
前記外筒部の内周面と前記燃料電池セルの前記端部の外周面との間がシール層によってシールされている、
燃料電池セルの集電構造。
請求項１記載の燃料電池セルの集電構造であって、
前記電解質層は、緻密構造の電解質であり、前記内側電極層の外周面を端部まで覆うように形成されている、
燃料電池セルの集電構造。
請求項１または２記載の燃料電池セルの集電構造であって、
前記シール層は、ガラスシール材により形成される、
燃料電池セルの集電構造。
請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池セルの集電構造であって、
前記導電性接合層は、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。