JP4683742B2

JP4683742B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4683742B2
Application number: JP2001052409A
Authority: JP
Inventors: 高志重久
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP2002260706A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係わり、特に、複数の固体電解質形燃料電池セルを電気的に接続する際の導電部材を改良した燃料電池に関する。
【０００２】
【従来技術】
図４は、円筒型の固体電解質形燃料電池セルを示すもので、円筒型燃料電池セル１は、例えば、ＬａＭｎＯ_３系空気極２の支持管に、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２からなる固体電解質３と、ＬａＣｒＯ_３系よりなるインターコネクタ５の緻密質な膜を形成し、固体電解質３の上面にＮｉ−ジルコニア系の燃料極４を設けて形成されている。
【０００３】
そして、燃料電池セル１は、図５に示すように、上下方向の燃料電池セル１同士が導電部材１０を介することにより接続され、図５における左右方向に隣接する燃料電池セル１の燃料極４同士が導電部材１３を介することにより電気的に接続されている。
【０００４】
即ち、図５における上下方向の燃料電池セル１同士は、上に位置する燃料電池セル１の燃料極４と、下に位置する燃料電池セル１のインターコネクタ５との間に、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体からなる導電部材１０が配置され、この導電部材１０により、上に位置する燃料電池セル１の燃料極４と、下に位置する燃料電池セル１のインターコネクタ５とが電気的に導通している。
【０００５】
導電部材１０、１３は、燃料電池セル１相互間の電気的な導通と、燃料電池セル１相互間の機械的な応力緩和にある。このため、導電部材１０、１３は、ガスの透過性があり、弾力性のある金属繊維の集合体が用いられている。また導電部材１０の金属繊維の材料としては、雰囲気が水素雰囲気から発電によって生じた水蒸気を含む雰囲気まで安定であるという理由から、Ｎｉ金属が利用されている。
【０００６】
燃料電池は、図５に示すような燃料電池セル１同士が電気的に接続されたスタックを作製し、これらを複数組み合わせるとともに、その集合体の両端（正極側および負極側）に集電部材を配置して構成される。燃料電池は、燃料電池セル１の空気極２側に酸素を含有するガス、たとえば空気を流し、燃料極４側に燃料、例えば水素を流しながら、１０００℃近傍の温度で発電する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
導電部材１０、１３は、セル１間の電気的な導通を行うことと、セル１間の応力を緩和するために、円筒型固体電解質形燃料電池においてはセル１間に、即ちセル１の４側面に配置され、複数のセル１からなるセル列を複数行設けて束ねられている。このため、複数のセル１を束ねる行程は複雑で時間がかかるものであった。また、このようにセル１間に配置された導電部材はズレやすく、発電中のショートの原因にもなっていた。
【０００８】
本発明は、セルを束ねる行程を簡略化できるとともに、さらにはインターコネクタと燃料極等との電気的なショートを防止できる燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、筒状の固体電解質の片面に空気極を、他面に燃料極を形成してなり、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続されるインターコネクタを有する複数の燃料電池セルからなるセル列を複数行設け、一方のセル列と他方のセル列との間に金属繊維の集合体からなる導電部材を設け、前記一方のセル列における前記燃料電池セルの前記インターコネクタと、前記他方のセル列における前記燃料電池セルの前記空気極または前記燃料極とを電気的に接続しており、前記導電部材は、前記インターコネクタに当接する第１導電部材と、前記空気極または前記燃料極と当接する第２導電部材とを備え、前記第１導電部材の密度が前記第２導電部材の密度よりも高いものである。
【００１４】
このような構成によれば、導電部材の電気抵抗による出力低下と燃料ガスの不透過による出力低下を最小限に抑制できる。即ち、燃料ガス（空気または水素ガス）が密度の低い第２導電部材を透過して空気極または燃料極内に十分に侵入することができ、これにより、第２導電部材に当接する空気極または燃料極を介して十分な燃料ガスを供給できる。また、第２導電部材は密度が低いために変形しやすく、空気極または燃料極との接触面積が大きくなり電気抵抗による出力低下を抑えることができる。一方、密度が高い第１導電部材を、電流が流れる箇所にもってきてあるので、電気抵抗による損失を小さくできる。
【００１５】
また、本発明では、第１導電部材と第２導電部材の間には、該第１導電部材および第２導電部材よりも密度が高い高密度導電部材が設けられていることが望ましい。このような構成によれば、第１導電部材と第２導電部材の間に高密度導電部材を配置したので、導電部材の電気抵抗による損失を小さくできる。
【００１６】
この高密度導電部材は、Ｎｉを主成分とする金属板であることが望ましい。これにより、燃料ガスの不透過による出力低下を最小限に抑制できるとともに、電気抵抗の小さい金属板が介装されているため導電部材全体の電気抵抗を抑えて、導電部材の電気抵抗による出力低下をさらに抑制できる。
【００１７】
さらに、本発明では、燃料電池セルの外径は１０ｍｍ以下であることが望ましい。このような外径が１０ｍｍ以下の燃料電池セルでは、導電部材の凹凸が大きくないためセル形状に対応しやすく変形しにくく、バンドル化（導電部材の一体化）に適しているとともに、インターコネクタと燃料極がショートしにくくなる。
【００１８】
また、本発明では、導電部材はＮｉを主成分とする金属繊維を加圧し、先に高密度の部位を作製し、後になるほど低密度の部位を加圧し、一体に成形することが望ましい。金属繊維を密度の高い部位から加圧成形し、低い部位へと次第に加圧成形していくため、一体の導電部材を作製できるとともに、密度が高い部位を先に加圧するので低い部位の加圧でも密度の影響を受けないので、導電部材の密度を制御でき、目的の密度にできる。
【００１９】
さらに、本発明では、導電部材は、還元雰囲気中、燃料電池の動作温度以上の温度で熱処理されていることが望ましい。これにより、動作温度で連続運転しても導電部材が収縮することなく、安定した性能が望める。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、複数の燃料電池セル１から構成されており、これらの燃料電池セル１は、固体電解質３の内面に円筒状の空気極２が、外面に燃料極４が形成されており、空気極２に電気的に接続されたインターコネクタ５が、燃料極４と導通せずに、外部に露出して構成されている。
【００２１】
そして、本発明では、図１に示したように、複数の燃料電池セル１からなるセル列Ａが複数行設けられ、一方のセル列Ａと他方のセル列Ａとの間に導電部材２０が設けられ、一方のセル列Ａにおける燃料電池セル１のインターコネクタ５と、他方のセル列Ａにおける燃料電池セル１の燃料極４とが電気的に接続されている。燃料電池セル１は、図１では、インターコネクタ５が上側を向くように配列されている。
【００２２】
即ち、導電部材２０は波板状に形成されており、上側の燃料電池セル１の燃料極４と下側の燃料電池セル１のインターコネクタ５との間に、導電部材２０が位置するとともに、この導電部材２０が、左右方向に隣接する燃料電池セル１の燃料極４間にも位置している。
【００２３】
左右方向に隣接する燃料電池セル１の燃料極４間の電気的な接続については、どの位置を接続しても良いが、燃料電池セル１間の機械的な保持、位置固定という点から、導電部材２０は蛇行した形状とされ、隣接する燃料極４間の間隔が最も近い位置において、導電部材２０が介装されている。導電部材２０は、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体から構成されている。
【００２４】
金属繊維の集合体からなる導電部材２０は、還元雰囲気中、燃料電池の動作温度以上の温度で熱処理されていることが望ましい。これにより、動作温度で連続運転しても導電部材が収縮することなく、安定した性能が望める。
【００２５】
このような導電部材２０がセル列Ａ間に配置されているので、導電部材２０の変形や位置ズレが殆どなく、同一のセルの燃料極の部分とインターコネクタの部分が接触することがなく、電気的なショートの発生を防止できる。
【００２６】
また、一方のセル列Ａと他方のセル列Ａとの間に一体化した導電部材２０を複数の燃料電池セル１を並列に接続するように設けたので、従来のように、燃料電池セルの４側面に配置することがなく、スタック化する際の作業効率を飛躍的に上昇できる。
【００２７】
また、本発明では、図２に示すように、平板形状の導電部材２０が密度の異なる二層以上からなるとともに、同一セル列Ａのインターコネクタ５に当接する第１導電部材２０ａの密度が、同一セル列Ａの燃料極４に当接する第２導電部材２０ｂの密度よりも高いことが望ましい。
【００２８】
このような構成によれば、燃料ガスが密度の低い第２導電部材２０ｂを透過して燃料極４内に十分に侵入することができ、これにより、第２導電部材２０ｂに当接する燃料極４を介して十分な燃料ガスを供給できる。
【００２９】
また、第２導電部材２０ｂは密度が低いために変形しやすく、燃料極４の形状に沿って変形し易く、燃料極４との接触面積が大きくなり電気抵抗による出力低下を抑えることができる。一方、密度が高い第１導電部材２０ａをインターコネクタ５に当接しているため、電気抵抗による損失を小さくできるとともに、第１導電部材２０ａの変形が抑制されているため、同一燃料電池セル１での燃料極４とインターコネクタ５とのショートを防止できる。
【００３０】
導電部材２０は、Ｎｉを主成分とする金属繊維を加圧し、先に高密度の部位を作製し、後になるほど低密度の部位を加圧し、一体に成形することが望ましい。金属繊維を密度の高い部位から加圧成形し、低い部位へと次第に加圧成形していくため、一体の導電部材２０を作製できるとともに、密度が高い第１導電部材２０ａを先に加圧するので低い第２導電部材２０ｂの加圧でも密度の影響を受けないので、導電部材２０の密度を制御でき、目的の密度にできる。
【００３１】
また、図２（ｂ）に示すように、第２導電部材２０ｂの厚みを厚くし、変形し易くすることにより（密度を小さくしても良い）、燃料極４を半分程度埋設することもできる。この場合には、隣接する燃料極４間の間隔が最も近い位置まで埋設することにより、燃料電池セル１間の機械的な保持、位置固定を行うことができる。
【００３２】
第１導電部材２０ａ、第２導電部材２０ｂは、Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体から構成されている。Ｎｉを主成分とする金属繊維の集合体は嵩密度０．４４〜２．２１ｇ／ｃｍ³が望ましい。嵩密度が０．４４ｇ／ｃｍ³よりも小さい場合には導電部材２０ａ、２０ｂの電気抵抗が大きくなる傾向があり、燃料電池セルをスタック化した場合に出力が低下する傾向がある。嵩密度が２．２１ｇ／ｃｍ³を越えると燃料ガスの透過性が悪くなり、接触している燃料極に燃料ガスを供給しにくく、発電性能が低下する傾向がある。また、弾力性も低下し易く、セル間の応力を吸収できなくなる傾向がある。
【００３３】
導電部材２０ａ、２０ｂの嵩密度は、導電部材２０ａ、２０ｂの電気抵抗を小さくし、燃料ガスの透過性を向上するという観点から、導電部材２０ａ、２０ｂの嵩密度は０．４４〜２．２１ｇ／ｃｍ³であることが望ましい。
【００３４】
導電部材２０ａ、２０ｂの嵩密度は０．４４〜２．２１ｇ／ｃｍ³である場合には、導電部材２０ａ、２０ｂがＮｉ金属である場合の比重の５〜２５％である。つまり、導電部材２０ａ、２０ｂがＮｉ金属の塊からなる場合の比重をρ₁、導電部材２０ａ、２０ｂが金属繊維の集合体からなる場合の嵩密度をρ₂とした時、ρ₂／ρ₁が５〜２５％であることを意味する。
【００３５】
導電部材２０ａ、２０ｂの嵩密度を０．４４〜２．２１ｇ／ｃｍ³と高くするためには、Ｎｉ金属繊維の集合体（フェルト等）をプレス機により所定圧力により押圧することにより達成できる。ちなみに、Ｎｉ金属である場合の比重は８．８４５であり、通常のＮｉフェルトの嵩密度は０．３５ｇ／ｃｍ³であり、導電部材２０ａ、２０ｂの嵩密度は、導電部材２０ａ、２０ｂがＮｉ金属である場合の比重の４％程度である。金属繊維は、Ｎｉを主成分とし、Ｆｅ、ＣｏおよびＣｒのうち少なくとも一種を含有しても良い。
【００３６】
第１導電部材２０ａの嵩密度は１．５〜２．０ｇ／ｃｍ³、第２導電部材２０ｂの嵩密度は０．５〜１．５ｇ／ｃｍ³であることが望ましい。
【００３７】
なお、本発明の導電部材２０ａ、２０ｂは、上述した導電部材２０ａ、２０ｂ自身の電気的な問題以外に、インターコネクタ５や燃料極４、集電材との接触界面の抵抗を減少させるため、Ｎｉからなる金属繊維の線径が５〜８０μｍであることが望ましい。Ｎｉを主成分とする金属繊維の線径が５μｍより小さいと導電部材２０ａ、２０ｂ自身が発電時に収縮し、接触界面から剥離し易く、電気抵抗が増大する傾向にある。この値が８０μｍより大きいと界面での接触面積が小さいことや表面エネルギーの減少によって界面での接触が悪くなる。Ｎｉからなる金属繊維の線径は、接触抵抗の低下という観点から２０〜５０μｍの範囲が良い。
【００３８】
また、上述した導電部材２０ａ、２０ｂと他の部材との接触界面の電気抵抗を減少させる別の方法として、Ｎｉを主成分とする金属繊維中に平均粒径１０μｍ以下のＮｉ金属を主成分とする金属粒子を重量比４０％以下含むこともできる。Ｎｉ金属粒子の平均粒径が１０μｍより大きいと界面の接触抵抗を低減する効果がなく、４０％より多いと導電部材自身が収縮し、接触抵抗が増大し、電気抵抗が増大する傾向がある。
【００３９】
Ｎｉを主成分とする金属繊維の平均粒径、重量比は、接触抵抗を低下し電気抵抗を低下するという観点から、平均粒径が１〜３μｍであり、重量比は５〜３０％であることが望ましい。ここで、重量比とは、導電部材２０ａ、２０ｂ全体の重量に対する金属粒子の重量比である。金属粒子としては、Ｎｉあるいは、Ｎｉと他のＦｅ、Ｃｏ、Ｃｒとの合金の粒子、あるいは金属粒子のコンポジットがある。
【００４０】
また、本発明では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、図２（ａ）、（ｂ）に示すような第１導電部材２０ａと第２導電部材２０ｂの間に、該第１導電部材２０ａおよび第２導電部材２０ｂよりも密度が高い高密度導電部材２０ｃが設けられていることが望ましい。この高密度導電部材２０ｃは、Ｎｉを主成分とする金属板であることが望ましい。
【００４１】
このような構成を採用することにより、図２に示す燃料電池と同様の効果を得ることができるとともに、電気抵抗の小さい高密度導電部材２０ｃが介装されているため導電部材２０全体の電気抵抗を抑えて、導電部材２０の電気抵抗による出力低下をさらに抑制できる。さらに、導電部材２０ａ、２０ｂ、２０ｃが一体となっているため、インターコネクタ側の第１導電部材２０ａの変形をさらに抑制でき、第１導電部材２０ａが同一セルの燃料極４とショートすることもない。
【００４２】
以上のように構成された本発明の燃料電池では、燃料電池セル１間を一体の導電部材２０で接続しているので、スタック組み立て時、発電時のずれや変形がなく、電気的なショートがない。また、部位によって密度の差を付けているために、燃料極へのガスの透過も十分確保でき、セル間の電気抵抗も小さくできる。
【００４３】
本発明の燃料電池は、セルの外径が１０ｍｍ以下である場合に好適に用いることができる。即ち、セルの外径が１０ｍｍ以下である場合には、導電部材の凹凸を１０ｍｍ以下にできるため、導電部材（フェルト）の弾力性により導電部材が凹凸に変形し、セルに密着よく接合できる。このため、スタック組み立ての作業効率がいいことと、発電時のショートもない。また、変形量の観点からセルの外径は８ｍｍ以下が望ましい。
【００４４】
尚、図１の導電部材２０を、第１導電部材と第２導電部材から、または第１導電部材と第２導電部材の間に高密度導電部材を設けて構成しても良いことは勿論である。また、本発明は、円筒状の燃料電池セル以外の断面が四角筒状の燃料電池セルであっても良いことは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の燃料電池は、一方のセル列と他方のセル列との間に一体化した導電部材を設けたので、従来の性能を保ったまま、電気的なショートの危険のない燃料電池を供給できるとともに、導電部材を一体化しているため、スタック化する際の作業効率を飛躍的に上昇できる。
【００４６】
また、導電部材が密度の異なる二層以上からなるとともに、インターコネクタに当接する第１導電部材の密度を、空気極または燃料極に当接する第２導電部材の密度よりも高くすることにより、燃料ガスが密度の低い第２導電部材を透過して空気極または燃料極内に十分に侵入することができ、第２導電部材に当接する空気極または燃料極を介して十分な燃料ガスを供給できるとともに、第２導電部材は密度が低いために変形しやすく、空気極または燃料極との接触面積が大きくなり電気抵抗による出力低下を抑えることができ、さらに、密度が高い第１導電部材を、インターコネクタ側に設けたので、電気抵抗による損失を小さくでき、同一燃料電池セルにおける燃料極とインターコネクタのショートを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を説明するための横断面図である。
【図２】セル列間に第１導電部材と第２導電部材を配置した状態を示す断面図である。
【図３】図２の第１導電部材と第２導電部材の間に高密度導電部材を配置した状態を示す断面図である。
【図４】円筒型燃料電池セルを説明するための横断面図である。
【図５】従来の燃料電池セルを９個接続したスタックを示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・燃料電池セル
２・・・空気極
３・・・固体電解質
４・・・燃料極
５・・・インイターコネクタ
２０、・・・導電部材
２０ａ・・・第１導電部材
２０ｂ・・・第２導電部材
２０ｃ・・・高密度導電部材
Ａ・・・セル列

Claims

筒状の固体電解質の片面に空気極を、他面に燃料極を形成してなり、前記空気極または前記燃料極に電気的に接続されるインターコネクタを有する複数の燃料電池セルからなるセル列を複数行設け、一方のセル列と他方のセル列との間に金属繊維の集合体からなる導電部材を設け、前記一方のセル列における前記燃料電池セルの前記インターコネクタと、前記他方のセル列における前記燃料電池セルの前記空気極または前記燃料極とを電気的に接続しており、前記導電部材は、前記インターコネクタに当接する第１導電部材と、前記空気極または前記燃料極と当接する第２導電部材とを備え、前記第１導電部材の密度が前記第２導電部材の密度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記第１導電部材と前記第２導電部材の間には、前記第１導電部材および前記第２導電部材よりも密度が高い高密度導電部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記高密度導電部材は、Ｎｉを主成分とする金属板であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記燃料電池セルの外径は１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。