JP4297104B2

JP4297104B2 - 固体酸化物形燃料電池

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Publication number: JP4297104B2
Application number: JP2005293785A
Authority: JP
Inventors: 幸作藤永
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2025-10-06
Also published as: JP2007103237A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは、複数の固体酸化物形燃料電池セルを電気的に接続する燃料電池の構造に関する。

固体酸化物形燃料電池は、作動温度が高く（８００〜１０００℃）、効率の良い燃料電池として期待されている。固体酸化物形燃料電池は、通常、その複数（以下、一つの燃料電池単位を「燃料電池セル」という場合がある）を電気的に直列および／または並列に接続して束ねたスタックと呼ばれる構造にし、さらに燃料電池スタックを電気的に直列および／または並列に接続してモジュールと呼ばれる構造にして用いられる。

燃料電池スタックは、電気的に並列な単位で断面コ字状の導電性の保持部材へ、電気的に直列となるインターコネクタと燃料極、また電気的に並列となる燃料極と燃料極、とにニッケルフェルトを形成した燃料電池セルを配置固定し、これを積み重ねて所定の温度で熱処理して燃料電池スタックが形成される。（例えば、特許文献１参照。）

しかしながら、このような燃料電池スタック構造は、燃料電池スタックを形成する際、空気極側を酸化雰囲気、燃料極側を還元雰囲気にし、所定の温度で熱処理する焼成工程が必要となるため、工業的な大量生産ができないという課題があった。

さらに、燃料電池セルと導電性部材との接続が、燃料電池セルとニッケルフェルトのみで接続されているため、燃料電池モジュールの組み立てや輸送する際、スタック同士の接続や輸送等の衝撃により、燃料電池セルとニッケルフェルトが剥離しやすいという課題もあった。

また、燃料電池モジュールは、発電前後において、各燃料電池セルの温度分布等による熱応力のバラツキに許容して複数の燃料電池スタックにおける燃料電池セルと導電性部材の集電を保つため、複数の燃料電池スタックの周囲へ断熱材、内側燃料電池容器、断熱材、外側燃料電池容器を順に配置して燃料電池モジュールが形成される。（例えば、特許文献２参照。）

しかしながら、このような燃料電池モジュール構造は、発電前後において、複数の燃料電池スタックの周囲へ包囲する断熱材により、燃料電池近傍と、内側燃料電池容器近傍と、の間の温度差による熱歪みを内側燃料電池容器に生じ、内側燃料電池容器近傍の断熱材と内側燃料電池容器の間に隙間を生じやすくなる。また、この断熱材の燃料電池近傍に比べて内側燃料電池容器近傍へ密度の高い燃料ガスが供給されるため、燃料電池の発電に寄与しない燃料ガスが多くなり、燃料電池の発電性能の低下させてしまうという課題があった。

さらに、燃料電池セルは１ｍ当たり２ｍｍ程度の反りを有していることがあり、発電時の燃料電池の温度分布により各燃料電池セルに熱応力が働き、燃料電池セルと導電性部材の接続不良を生じるやすくなる。これによる接続不良を防止して燃料電池セルと導電性部材との接続を安定に維持するため、少なくとも電気的な直列方向で燃料電池スタックの押圧構造を付加することが必要となり、モジュール構造を複雑にしてしまうという課題があった。
特許第３２８１８２１号公報（４〜６項、図２〜４）特開平１−２４８４７９号公報（５，６項、図１，２）

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池スタックの製造工程を簡略化し、燃料電池スタックを工業的な大量生産を行うことができ、燃料電池へ効果的に燃料ガスを供給して燃料電池の発電性能を向上できる、燃料電池の提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の固体酸化物形燃料電池は、複数の筒状の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを電気的に接続する導電性部材と、を備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに押圧をかける手段と前記燃料電池スタックに押圧をかけた状態で固定する手段とを備えた保持部材と、を備え、前記保持部材が、前記燃料電池スタックの燃料極側と電気的に接続する燃料極側保持部材と、空気極と電気的に接続する空気極側保持部材と、前記燃料極側保持部材と前記空気極側保持部材とを絶縁する絶縁部と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタック単位での発電前後のスタック形状を維持することができ、燃料電池スタックの複雑な焼成工程を削除できるスタック構造を形成できる。また、発電時における燃料電池モジュールの燃料電池容器近傍の温度分布を解消して燃料電池の発電性能を向上できる。これにより、実用的で量産性に優れた安全かつ高効率な燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。図１は、本発明による燃料電池スタックを構成する固体酸化物形燃料電池セルの基本構造断面図である。この燃料電池セル１は、電解質２、空気極３、燃料極４、および空気極３に接続されたインターコネクタ５とから構成される。この構成の燃料電池セルにあっては、図中の空気極３の内部Ａの方向に酸素を含む空気が、燃料極４の外部Ｂの方向に水素、一酸化炭素を含む燃料ガスが流される。なお、燃料電池セルの空気極と燃料極は図１に示される場合と逆に構成することも可能である。

図２は、本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図であり、図３は図２のＣ断面を示す図である。しかしながら、これらは一例であり限定されるものではない。図２および図３に示すように、円筒形状の燃料電池セル１が２並列３直列で複数積み重ねられた燃料電池スタックの周囲を、保持部材８により囲まれている。これらの燃料電池セル１は、導電性部材９および集電板１０により、直列および／または並列に電気的に接続される。すなわち、燃料極４とインターコネクタ５とが接続され、および／または燃料極４と燃料極４とが接続される。燃料電池スタックは上下面保持部材８ａ及び８ｂにによって押圧されており、上下面保持部材８ａ及び８ｂが接続部１２により側面保持部材８ｃに連結されることで押圧をかけた状態で固定されている。保持部材８は複数の燃料電池セル１の空気極側と電気的に接続している。一方、スタック集電板１１は燃料電池セル１の燃料極側と電気的に接続しており、絶縁部材７により空気極側と絶縁されている。絶縁部材７はアルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア等を用いることができる。また発電された電力は、保持部材８とスタック集電板１１との間に出力され、燃料電池スタックの上端または／および下端より電力の取出しを行うことができる。保持部材８は、燃料電池スタックの形状を保持する程度に燃料電池スタックを押圧している。その結果、焼成工程を削除しても、発電前および発電後に関係なく燃料電池スタックに配置される燃料電池セルと導電性部材を保持できるため、燃料電池モジュールの組み立てや輸送等の燃料電池スタックの取扱いに優れるている。また、燃料電池スタックの周囲に形成される保持部材を同士をネジ固定や熔接やカシメによる圧着等により接続することができ、複数の燃料電池スタックの集電接続を容易に行うことができるという利点もある。このとき、保持部材８は耐熱ステンレス鋼やインコネル等の耐熱金属やセラミックで、導電性部材９や集電板１０はニッケルを主成分とする金属材料からなる金属多孔体や金属板等で、それぞれ形成することができる。但し、セラミックで保持部材を形成する場合はスタックの両端の端子にスタック集電板を具備し、このスタック集電板により、燃料電池スタック間の電気的な接続がされる。

図４は、本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図であり、図５は図４のＤ断面を示す図である。しかしながら、これらは一例であり限定されるものではない。図４および図５に示すように、円筒形状の燃料電池セル１が２並列３直列で複数積み重ねられた燃料電池スタックの周囲を囲む保持部材１４は、燃料電池スタックの空気極と電気的に接続される空気極側保持部材１４ａと、燃料電池スタックの直列方向に平行な位置に配置される側面保持部材１４ｃと、燃料電池スタックの燃料極と電気的に接続される燃料極側保持部材１４ｂにより構成される。これらの燃料電池セル１は、導電性部材９および集電板１０により、直列および／または並列に電気的に接続される。すなわち、燃料極４とインターコネクタ５とが接続され、および／または燃料極４と燃料極４とが接続される。また、側面保持部材１４ｃは接続部１２により空気極側保持部材１４aと連結され、複数の燃料電池セル１の空気極と燃料極は燃料極側保持部材１４ｂと側面保持部材１４ｃの接続構造を有する絶縁接続部１５により導通せず接続されている。また発電された電力は、空気極側保持部材１４ａと、燃料極側保持部材１４ｂと、の間に出力され、燃料電池スタックの上端または／および下端または／および直列方向の側面より電力の取出しを自在に行うことができる。例えば、燃料電池スタックの軸方向の温度が高い部位はスタック集電板の集電抵抗を大きくして発電反応を抑制し、また温度が低い部位では集電抵抗を小さくして発電反応を促進することにより、燃料電池の温度を制御することができる。その結果、燃料電池セルにおける軸方向の電流密度の分布を均一にして燃料電池の発電温度のばらつきを少なく、燃料ガスの偏流を抑制しやすい構造を形成することができる。

図６は、図４および図５による燃料電池スタックの保持部材における空気極と燃焼極を絶縁して接続する絶縁接続部の構造の一例を説明する図である。図６に示すように、絶縁接続部１５は、側面保持部材１４ｃの一部に、アルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア等により構成される絶縁リング１７を内部に配置し、この周囲へアルミナ、ムライト、マグネシア、ジルコニア等により構成される緩衝性を有するセラミック繊維シート１６を形成し、さらにセラミック繊維シート１６の形状を維持する保持板１８を介して連結金具２０により電気的に導通せずに連結アングル１９と接続している。また、燃料極側保持部材１４ｂは、連結金具２０により連結アングル１９と電気的に導通して接続され、燃料極側保持部材１４ｂと側面保持部材１４ｃの絶縁が保たれている。また、側面保持部材１４ｃと連結アングル１９が緩衝性を示すセラミック繊維シートを介して接続されているため、熱歪みを緩和してセラミック繊維シートの劣化を抑制し、絶縁構造を維持することができる。

図７は、本発明の他の実施形態による図５に示す燃料電池スタック及び保持部材で構成される燃料電池モジュールの一例を説明する図である。図７に示すように、燃料電池スタック１３同士が保持部材１４を介してスタック集電板２１により電気的に接続され、空気極側と接続されるスタック集電板２１ａと燃料極側と接続されるスタック集電板２１ｂが、それぞれ集電ロッド２２に電気的に接続されている。また燃料電池スタック１３は保持部材１４と燃料ガスの気密性を保つ内側燃料電池容器２４との間へ部分的に絶縁板２３を部分的に配置して内側燃料電池容器２４の内側に保持されている。さらに、内側燃料電池容器２４の外側へ断熱材２５、外側燃料電池容器２６が順に形成されている。このとき、燃料電池モジュールは、燃料電池スタック単位で燃料電池セルと導電性部材が保持固定され、燃料電池スタックと内側燃料電池容器を導通せずに安定なスタック構造が形成されている。つまり、断熱材により複数の燃料電池スタックの周囲を囲まずとも燃料電池モジュールの構造を安定に保つことができる。その結果、内側燃料電池容器の内側の発電室において、供給される燃料ガスが断熱材による温度傾斜を生じないため、燃料電池へ密度差の少ない燃料ガスを供給でき、発電室内における燃料ガスの偏流を抑制できるため、燃料電池の発電に寄与する燃料ガスを増加して燃料電池の発電性能を向上することができる。

図８は、本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの断面の一例を説明する図である。図８は、燃料電池スタック２８の電気的な直列方向と平行に配置される側面保持部材２９ｃが、燃料電池セル１の線膨張係数と略同一に形成されていることが好ましい。ここでいう略同一とは、燃料電池セル１の線膨張係数が約１０．５×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^−１）に対し、約７〜１４×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^−１）である。その結果、燃料電池スタック２８に配置される直列方向の端部の空気極側保持部材２９ａ、燃料極側保持部材２９ｂを基準にして、側面保持部材２９ｃの膨張の影響をほぼ受けることなく、導電性部材９のみ熱膨張により、複数の燃料電池セル１へ圧縮方向の応力を、また側面保持部材２９ｃへ引張り方向の応力を、それぞれ伝達できるため、複数の燃料電池セル１と導電性部材９との良好な接触を保つとともに、側面保持部材２９ｃの変形量を許容して安定な燃料電池スタック構造を容易に形成することができる。

図９は、本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図である。しかしながら、これは一例であり、限定されるものではない。図９に示すように、燃料電池セル１が複数積み重ねられ、この周囲を保持部材３１が燃料電池セル１の軸方向で複数の分割部３２を形成している。その結果、燃料電池セル１の軸方向における燃料電池セル１と保持部材３１との線膨張係数の差や、温度分布による保持部材３１の線膨張係数の差、による熱歪みが、保持部材３１の分割部３２により緩和することができるため、燃料電池の温度分布に対しても燃料電池セルと導電性部材の接触を効果的に保つことができ、保持部材の変形量を許容して燃料電池スタック構造を容易に維持することができる。このとき、同じ材料の中で温度分布により、線膨張係数を約２×１０^−６（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^−１）以上の差にしないように形成することが、保持部材の歪みを抑える観点から好ましい。また、導電性部材９を同様に燃料電池セル１の軸方向で分割して形成することにより、燃料電池セルは軸方向において、導電性部材を形成していない燃料電池セルの隙間部分で燃料ガスが直接的に燃料電池セルの表面と吸熱または放熱をできるため、燃料電池セルの軸方向で温度分布を均一にすることができ、保持部材の変形量をより少なくして燃料電池スタック構造を容易に維持することができる。

本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックでは、保持部材がアルミニウムおよび／またはモリブデンを含有するフェライト系ステンレス鋼で形成することが好ましい。その結果、保持部材の表面にクロミア、アルミナ等の安定な不動態膜を形成することができ、水素、メタン等の炭化水素、水素水蒸気等を含有する還元雰囲気における保持部材の表面の酸化や孔食等の劣化を防止することができる。また、高温時（８００〜１０００℃）の耐熱鋼の変形量を抑えて保持部材表面の亀裂等の欠陥を防止することができるため、燃料電池スタック構造を安定に保つことができる。

本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックでは、導電性部材が弾性を有することが好ましい。その結果、常温時の燃料電池スタックを形成する際、燃料電池スタックを一定の弾性力に規定して保持できるため、燃料電池セルの強度の許容値以上に押圧することを抑制でき、燃料電池セルの破損を抑制することができる。例えば、バネ状の弾性体を用いることにより、燃料電池セルの強度に応じてバネ定数により圧縮量を調整することができる。

図１０は、本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの導電性部材である金属シートの拡大摸式図である。この図に示されるように、金属シートはいわゆるスポンジ類似の構造を有し、金属フェルトの構造とは大きく異なっており、この相違点が本発明による導電性部材の有利な特性、特徴を与える要因となっている。具体的には、ニッケル等の金属繊維よりなるフェルトは、複数の非連続の繊維が複雑に絡み合って構成されているため、一度圧縮力が加わると弾性力または復元力が十分でないことがあるが、本発明による複数に積層した金属シートは、連続した柱を骨格として三次元構造が構成されているため、立体的な強度を有し、弾性力および復元力に富む。その結果、燃料電池スタックの燃料電池セルおよび保持部材に効果的に応力を与えることができ、燃料電池スタックの構造を安定に保つことができる。さらに、金属フェルトにあっては、繊維同士の接触面積が大きく、焼き付けまたは発電後、繊維が一体となって硬く焼結しまう傾向にあるが、本発明による金属シートは、金属繊維よりなるフェルトに比べて繊維同士あるいは柱同士が接触する接触面積が小さいため、焼結の程度は低い。その結果、焼き付けまたは発電後であっても、その界面で容易に剥離し、メンテナンス性に優れるとの大きな利点が得られる。

図１１は、本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの保持部材の内部における基本構造の概略図である。また、図１２は図１１のセル支持部における燃料電池セルの中心Ｅの並列方向と平行な断面を説明する図であり、図１３は図１１のセル支持部における燃料電池セル間の中心Ｆの並列方向と平行な断面を説明する図である。しかしながら、これらは一例であり、限定されるものではない。これらの図に示されるように、燃料電池セル１の開口側端部と封止側端部のセル支持部３３において、位置決め板３４を基準にして燃料電池セル１を固定する固定枠３５と集電板１０に形成される切欠きへはめ込むことにより、燃料電池セル１と集電板１０の位置決めを行っている。また、温度分布による熱歪みを緩和するため、固定枠３５の内側へ緩衝材３６が備えられている。このとき、燃料電池スタックの直列方向の端部へ形成される保持部材の少なくとも一方の端で、保持部材と位置決め板３４を連結し（図示せず）、燃料電池スタック単位で燃料電池セル１と集電板１０の位置決めがなされる。その結果、発電前、発電時および発電後において、燃料電池スタックにおける燃料電池セルの配置も常に一定に保つことができ、燃料電池スタック単位でカスタマイズせずに、燃料電池セルへ酸化剤または燃料ガスを供給するガス供給構造を簡易にすることができるため、燃料電池の工業的な大量生産をより効果的に行うことができる。

なお、前述の実施形態にかかわらず、燃料電池セルの形状は、以上の説明にあるような筒形状を基本とするが、例えば図１２に示されるような、電解質２、空気極３、燃料極４、および空気極３に接続されたインターコネクタ５とから構成され、かつ空気極３に２以上の円筒空間を有し、この内部Ａの方向に酸素を含む空気を流すよう構成されていてもよい。この図にあっては、燃料極４の外部Ｂの方向に水素、一酸化炭素等を含む燃料ガスが流される。このような構造の燃料電池セルを用いた場合であっても、図１３に示されるように、本発明による導電性部材６を使用してスタックを構成することができる。

さらに本発明の燃料電池は、導電性部材に酸化インジウム等の材料を用いることにより、燃料ガスが燃料電池セルの内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セルの外側に流れるように構成することもできる。

本発明による燃料電池スタックを構成する固体酸化物形燃料電池セルの基本構造断面図である。本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図である。図２のＣ断面を示す図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図である。図４のＤ断面を示す図である。図４および図５による燃料電池スタックの保持部材における空気極と燃料極を絶縁して接続する絶縁接続部の構造の一例を説明する図である。本発明の他の実施形態による燃料電池スタックで構成される燃料電池モジュールの一例を説明する図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの断面の一例を説明する図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの導電性部材である金属シートの拡大摸式図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの保持部材の内部における基本構造の概略図である。図１１のセル支持部における燃料電池セルの中心Ｅの並列方向と平行な断面を説明する図である。図１１のセル支持部における燃料電池セル間の中心Ｆの並列方向と平行な断面を説明する図である。本発明による燃料電池スタックを構成する筒状の固体酸化物形燃料電池セルの他の実施形態を示す基本構造断面図である。本発明の他の実施形態を示す燃料電池スタックの基本構造の概略図である。

符号の説明

１、３７…固体酸化物形燃料電池セル
２…電解質
３…空気極
４…燃料極
５…インターコネクタ
６、１３、２８、３０、３８…燃料電池スタック
７…絶縁部材
８…保持部材
８ａ…上面保持部材
８ｂ…下面保持部材
８ｃ…側面保持部材
９…導電性部材
１０…集電板
１１、２１…スタック集電板
１２…接続部
１４…保持部材
１４ａ…空気極側保持部材
１４ｂ…燃料極側保持部材
１４ｃ…側面保持部材
１５…絶縁接続部
１６…セラミック繊維シート
１７…絶縁リング
１８…保持板
１９…連結アングル
２０…連結金具
２２…集電ロッド
２３…絶縁板
２４…内側燃料電池容器
２５…断熱材
２６…外側燃料電池容器
２７…発電室
２９…保持部材
２９ａ…空気極側保持部材
２９ｂ…燃料極側保持部材
２９ｃ…側面保持部材
３１…保持部材
３２…分割部
３３…セル支持部
３４…位置決め板
３５…固定枠
３６…緩衝材

Claims

複数の筒状の燃料電池セルと、前記燃料電池セルを電気的に接続する導電性部材と、を備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに押圧をかける手段と前記燃料電池スタックに押圧をかけた状態で固定する手段とを備えた保持部材と、を備え、
前記保持部材が、前記燃料電池スタックの燃料極側と電気的に接続する燃料極側保持部材と、空気極と電気的に接続する空気極側保持部材と、前記燃料極側保持部材と前記空気極側保持部材とを絶縁する絶縁部と、を備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。