JP4966568B2 - 燃料電池セルスタック装置、燃料電池セルスタック連結装置及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを一列に配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックとその端部からの電流引出し構造とを含む燃料電池セルスタック装置に関する。

次世代エネルギーとして、近年、複数の固体酸化物形燃料電池セルからなるスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
図９（ａ）は、従来の燃料電池セルスタック１０を有する燃料電池セルスタック装置１を概略的に示す側面図である。この燃料電池セルスタック１０は、複数の固体酸化物形燃料電池セル２を配列させて構成され、隣り合う燃料電池セル２同士は、介在する集電部材３により電気的に接続され、この状態でマニホールド１１に固定されている。燃料電池セルスタック装置１はさらに、両端部に電流を取り出すための電流引出し部材３ａを配置して構成されている。従来の電流引出し部材３ａは、両端部に位置する端部集電部材３ｂに取り付けられた導電性の比較的フレキシブルな線部材である。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の燃料電池セルスタック装置１の一部拡大平面図である。燃料電池セル２についてはその断面が示されているがこれは一例である。燃料電池セル２は、一対の平坦面をもつ柱状の導電性支持基板８の一方の平坦面上に燃料極５、固体電解質層６及び酸素極４が積層され、他方の平坦面上にインターコネクタ７が設けられている。導電性支持基板８には軸方向に沿って複数の燃料ガス通路９が形成されている。集電部材３は、一方の燃料電池セル２の酸素極と、他方の燃料電池セル２のインターコネクタ７に当接し導電性接着剤で固定される。配列方向の最端部に位置する燃料電池セル２の端部側には、最端部の端部集電部材３ｂが設けられている。この最端部の端部集電部材３ｂに対して比較的フレキシブルな導電性線部材である電流引出し部材３ａが取り付けられている。このような従来の電流引出し部材は、例えば、特許文献１に開示されている。

燃料電池セルスタック１０の両端には、板状の絶縁体からなる押さえ板１３が配置されており、一対の押さえ板１３の下端部はマニホールド１１の側面に固定され、これによりにより燃料電池セルスタック１０に両端から押圧力を及ぼした状態で、各燃料電池セル２の軸方向の一端がマニホールド１１の上面のガラスシール材１２により固定されている。
特開２００３−３０８８５７号公報

従来の燃料電池セルスタック装置における端部集電構造には次のような問題点がある。
・比較的フレキシブルな線材である電流引出し部材は、振動や揺動を生じやすく、そのため燃料電池セルスタックの最端部の端部集電部材にも外力が伝達されてこの端部集電部材が剥離するおそれがあった。その結果、発電出力が低下する。
・端部集電部材は、通常、セル間に配置されている集電部材と同一のものを使用しており、集電部材はその構造上薄型とする必要があったことに加えて、電流引出し部材をこのような薄型の端部集電部材に取り付けなければならなかった。このため、確実な電気的接続を行うためには、電流引出し部材をあまり厚くすることができなかった。その結果、電気抵抗を十分小さくできず、電力損が大きかった。

以上の現状に鑑み、本発明は、燃料電池セルスタックと確実な電気的接続を行え、電力損の少ない端部集電構造をもつ燃料電池セルスタック装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
（１）請求項１に係る燃料電池セルスタック装置は、筒型で柱状の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して複数個配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端部にそれぞれ設けた端部集電部材と、該端部集電部材の外側に配置された金属部材と、該金属部材の一部から外方に向けて帯状に延びる電流引出し部と、前記燃料電池セルの一端部を固定するマニホールドとを具備するとともに、前記金属部材の一端部が、前記マニホールドに絶縁状態にて接合固定されていることを特徴とする。
（２）請求項２に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記電流引出し部の一部が、前記マニホールドに絶縁性固着剤により固定されていることを特徴とする。
（３）請求項３に係る燃料電池セルスタック装置は、筒型で柱状の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して複数個配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端部にそれぞれ設けた端部集電部材と、該端部集電部材の外側に配置された金属部材と、該金属部材の一部から外方に向けて帯状に延びる電流引出し部と、前記燃料電池セルの一端部を固定するマニホールドとを具備するとともに、前記電流引出し部の一部が、前記マニホールドに絶縁性固着剤により固定されていることを特徴とする。
（４）請求項４に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記金属部材が、最端部に位置する前記燃料電池セルの端部側の面に対向して配置される平板部と、前記平板部の両側縁から屈曲する一対の側板部とを具備することを特徴とする。
（５）請求項５に係る燃料電池セルスタック装置は、筒型で柱状の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して複数個配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端部にそれぞれ設けた端部集電部材と、該端部集電部材の外側に配置された金属部材と、該金属部材の一部から外方に向けて帯状に延びる電流引出し部と、前記燃料電池セルの一端部を固定するマニホールドとを具備するとともに、前記金属部材が、最端部に位置する前記燃料電池セルの端部側の面に対向して配置される平板部と、前記平板部の両側縁から屈曲する一対の側板部とを具備することを特徴とする。
（６）請求項６に係る燃料電池セルスタック連結装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を、前記燃料電池セルの配列方向を互いに平行として２つ以上並置するとともに、各々の前記燃料電池セルスタック装置の前記金属部材同士を導電性の連結部材により相互に連結したことを特徴する。
（７）請求項７に係る燃料電池は、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置または請求項６に記載の燃料電池セルスタック連結装置を、収納容器内に収容してなることを特徴とする燃料電池。

請求項１の発明では、燃料電池セルスタック装置における端部集電部材の外側に金属部材を配置し、金属部材の一部から外方に帯状の電流引出し部材を取り付けているため、電流引出し部材が、従来のフレキシブルな線材に比べて脱離のおそれがなく安定である。また、電流引出し部材が、端部集電部材に外力を及ぼすことがないため、端部集電部材の剥離のおそれを解消できる。さらに、金属部材はその厚みを十分厚く設定することも可能であるので電気抵抗を小さくでき、電力損を低減できる。

さらに請求項１の発明では、金属部材の一端部がマニホールドに絶縁状態にて固定されるため、金属部材がマニホールドとの絶縁性を確保して安定に支持されるとともに、金属部材が、燃料電池セルスタックをセル配列方向の両側から押圧する押さえ板の役割も果たすことができる。

請求項２、３の発明では、電流引出し部の一部をマニホールドに絶縁性固着材により固定することにより、電流引出し部を含む金属部材全体の安定性を強化し、かつマニホールドとの絶縁性も確保できる。

請求項４、５の発明では、金属部材が、平板部とその両側縁から屈曲した一対の側板部とを具備する形状であるので、剛性が大きく強固な構造とすることができるとともに、安定に起立させることができる。

請求項６の発明では、複数列の燃料電池セルスタックの各々の金属部材同士を導電性の連結部材で連結することにより、スペースを節約して効率的に電流取り出しを行うことができる。

請求項７の発明では、上記の効果を奏する燃料電池セルスタック装置を収納した燃料電池において安定な発電出力が得られる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１（ａ）は、燃料電池セルスタック２２を有する燃料電池セルスタック装置２１を概略的に示す側面図である。この燃料電池セルスタック２２は、複数の固体酸化物形燃料電池セル２を一列に配列させて構成され、隣り合う燃料電池セル２同士は、介在する集電部材３により電気的に接続されている。説明の便宜上、柱状の燃料電池セル２の長手方向を軸方向と称する。なお、図示の例では、最端部に位置する燃料電池セル２の端部側の面と接続される端部集電部材２４は、中間部分の集電部材３と形態が異なるものを用いている。これについては、図２において説明する。なお、図１（ａ）では、便宜上、集電部材３及び端部集電部材２４を簡略化して記載した。

本発明において、燃料電池セルスタック２２の両端部にそれぞれ設けられる端部集電部材２４の外側には、最端部に位置する燃料電池セル２の端部側の面に対向して金属部材２３が配置されている。金属部材２３は、コスト的に有利な耐熱性合金で形成される。金属部材２３の燃料電池セルスタック２２側に向いた面２３ａが、端部集電部材２４を介して最端部の燃料電池セル２と電気的に接続される。金属部材２３と端部集電部材２４の間の接続は、電流の局所集中を防止するために導電性セラミック材料を介在させてもよい。

金属部材２３の軸方向の一端部は、各燃料電池セル２の軸方向の一端部と同様にマニホールド１１の上面に立設され、絶縁材料であるガラスシール材により接合固定されている。これにより金属部材２３とマニホールド１１との電気的絶縁が確保される。
なお、本発明の金属部材２３は、図９に示した従来の押さえ板１３の役割も果たしており、一対の金属部材２３、２３が燃料電池セルスタック２２をセル配列方向の両側から押圧した状態で固定されている。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の燃料電池セルスタック装置１の一部拡大平面図である。燃料電池セル２の構造及び集電部材３については前述の図９で説明したものと同じであるので説明を省略する。

金属部材２３は、端部集電部材２４と当接する平板部２３と、この平板部２３の両側縁から屈曲して平板部２３に対してほぼ垂直に外方へ延びる一対の側板部２３ｂ、２３ｂを具備する。従って、図１（ｂ）の平面図に示すように、金属部材２３の断面はコ字状となる。この形状は、金属部材２３の剛性を大きくし安定に立設するに好適である。

また、一方の側板部２３ｂの先端側から、燃料電池セルの配列方向に平行な方向に帯状の電流引出し部２３ｃが延びている。電流引出し部２３ｃは、金属部材２３の一部であり一体化されているため、脱離するおそれがなく安定している。電流取り出し部２３ｃの先端部には、電流引出し線が連結されることになる。

図１に示した燃料電池セルスタック装置２１では、燃料電池セルスタック２２で発電により生じた電流は、端部集電部材２４から金属部材２３を流れ、そして電流取り出し部２３ｃの先端部から外部へ取り出される。金属部材２３は、広い面積をもつ平板部全体で端部集電部材２４と接触しかつその厚みを十分厚くすることができるため、抵抗を小さくして電力損を低減することができる。

図２Ａ（ａ）及び（ｂ）は、端部集電部材２４の実施例をそれぞれ示す平面図である。この端部集電部材２４は、セル配列方向におけるばね定数が、中間部分の集電部材３より小さくなるように設けられる。具体的にばね定数を低減する方法として、例えば、図２Ａ（ａ）では、集電部材３よりも距離ｗ及び幅（図の上下方向）を広げた集電部材２４Ａを用いている。また、図２Ａ（ｂ）では、中間部分の集電部材３を２枚重ねて接続した集電部材２４Ｂを用いている。端部集電部材２４のばね定数を小さくすることにより、変形への追従性を向上させ、集電部材２４の剥離を防止する。これは、最端部では外力の影響を受け易く、また最端部の燃料電池セル２と金属部材２３との間の距離の変動が大きくなりがちなためである。

図２Ｂは、図２Ａに示した集電部材３の部分拡大斜視図である。燃料電池セルスタックにおいて隣り合う２つの燃料電池セルをそれぞれ第１セル及び第２セルと称して説明すると、集電部材３は、第１セルの平坦面に当接する第１導電体片３０１と、第１セルの一方の端部から第２セルの他方の端部へと傾斜して延びる第２導電体片３０２と、第２セルの平坦面に当接する第３導電体片３０３と、第２セルの一方の端部から第１セルの他方の端部へと傾斜して延びる第４導電体片３０４とを基本要素として具備する。第１〜第４の導電体片はこの順序で端部同士を次々に連結されており、さらにこの順序で繰り返し導電体片が連結されることにより、軸方向に延在する一繋がりの集電部材３を形成している。斯かる形状の集電部材３は柔軟性に富んでおり、セル間及びセル軸方向の変形に対する追従性が良好であると同時に、通気性にも優れている。

図３は、図１の金属部材２３のさらに別の実施形態を示す図である。金属部材３１もまた断面が略コ字状であり、平板部３１ａとその両側縁から屈曲して延びる一対の側板部３１ｃ、３１ｂとを有する。図３の形態の特徴は、平板部３１ａの下端近傍から帯状の電流引出し部３２が平板部３１ａに対して垂直に突出するように折り曲げ形成されている点である。さらに、電流引出し部３２の先端部は斜め下方へ折り曲げられている。またさらに、金属部材３１の下端には、垂直に延びる一対の脚部３３、３３が設けられ、これらの脚部がマニホールド上のシール材中に埋没されることにより、安定に起立することができる。

図４は、図３と同様に、図１の金属部材２３のさらに別の実施形態を示す図である。図３の金属部材３１と相違する点は、金属部材４１の電流引出し部４２の形状である。帯状の電流引出し部４２は、平板部４１ａに対して垂直に突出して延び、中間部で下方へ折れ曲がった後、再び平板部４１ａに対して垂直な方向に折れ曲がり延びている。これにより、電流引出し部４２の中間部に１つの段部４３が形成されている。

図５は、図３及び図４にそれぞれ示した金属部材３１、４１を燃料電池セルスタック装置２１に組み込んだ状態を示す図である。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は正面図、図５（ｃ）は（ｂ）のＡ部拡大断面図であり、図５（ｄ）は（ｂ）のＢ部拡大断面図である。金属部材３１の平板部３１ａ及び金属部材４１の平板部４１ａにより、燃料電池セルスタック２２を両端部から挟み込んだ状態でマニホールド１１の上面にガラスシール材５３により固定されている（図５（ｃ）及び（ｄ）参照）。

図５（ｃ）に示すように、金属部材４１から延びる帯状の電流引出し部４２の下面の一部が絶縁性固着材５１によりマニホールド１１の上部に固定されている。これにより、金属部材４１の安定性が強固となり、より振動や外力に強い構造となる。絶縁性固着材５１として、ガラスシール材を用いてもよい。電流引出し部４２の段部４３は、マニホールド１１の上部外郭に沿った形状となっているため、マニホールド１１と電流引出し部４２とが一定の距離を保持して接触せず、絶縁性が確保される。

同様に、図５（ｄ）に示すように、金属部材３１から延びる帯状の電流引出し部３２の下面の一部も絶縁性固着材５１によりマニホールドの上部に固定されている。電流引出し部３２の形状もまた、マニホールド１１の上部外郭に沿った形状となっている。
このようにマニホールド１１の上部外郭形状に沿うように電流引出し部の形状を適宜設定する。

図６は、２つの燃料電池セルスタック２２、２２をそれぞれの燃料電池セルの配列方向を互いに平行として並置した場合の端部集電部材の実施形態を示す図である。図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は正面図、図６（ｃ）は右側面図、図６（ｄ）は図４に示した金属部材４１を燃料電池セルスタック２２の端部に用いた場合の図５（ｃ）に相当する拡大断面図であり、図６（ｅ）は図３に示した金属部材３１を燃料電池セルスタック２２の端部に用いた場合の図５（ｄ）に相当する拡大断面図である。

図６（ａ）に示すように、双方の燃料電池セルスタック２２、２２の同じ側の端部では、同じ種類の金属部材３１、４１をそれぞれ用いている。そして、金属部材３１を設けた端部側において、各金属部材３１の先端同士を連結部材５４で相互に連結している。図３に示すように金属部材３１の先端部には接続孔が穿設されている。図６（ｅ）に示すように、この接続孔を利用して連結部材５４の両端からネジ５５を挿通し螺着している。このようにして、複数の燃料電池セルスタック２２を直列接続し、まとめて電流を取り出すことができる。

図７（ａ）〜（ｄ）は、図１の金属部材２３のさらに別の実施形態を示す図である。図７（ｅ）は、金属部材６１を燃料電池セルスタック２２の端部に用いた場合の図５（ｄ）に相当する拡大断面図であり、図７（ｆ）は、金属部材８１を燃料電池セルスタック２２の端部に用いた場合の図５（ｄ）に相当する拡大断面図である。

図７（ａ）及び図７（ｂ）にそれぞれ示す金属部材６１及び金属部材７１は、平板部６１ａ、７１ａを形成する部分が断面が矩形の箱型である。また、マニホールド１１と固着するための固定片６２、７２が下端近傍に平板部６１ａ、７１ａに対してそれぞれ垂直に延びている。マニホールド１１との固定は図６（ｅ）のように行われる。本実施形態では、電流引出し部６３、７３が、固定片６２、７２とは別個に設けられている。金属部材６１では電流引出し部６３が箱部分の側面中央部から平板部６１ａに対して垂直に延びている。一方、金属部材７１では、電流引出し部７３が箱部分の側面中央部から平板部７１ａと平行に延びている。

図７（ｃ）及び図７（ｄ）にそれぞれ示す金属部材８１及び金属部材９１は、平板部８１ａ、９１ａのみを具備し側板部がない。その下端に脚部８４、９４を具備する。マニホールド１１と固着するための固定片８２、９２は、金属部材６１及び金属部材７１と同様である。また、電流引出し部８３、９３についても金属部材６１及び金属部材７１をそれぞれ同様である。

図８は、燃料電池セルスタックの端部集電部材２４と、本発明の金属部材１０１との接合形態の一例を示す、軸方向に垂直な方向の断面図である。端部集電部材２４と、金属部材１０１の平板部１０１ａとの間を導電性接着剤１０３で接着する。この際に、金属部材１０１の平板部１０１ａに複数の孔１０２を予め穿設しておく。導電性接着剤１０３は、この孔１０２を通り平板部１０１ａの裏面側へ入り込む。そして孔１０２の径より大きく周囲に拡大し膨出部１０４を形成した状態で硬化する。この硬化した膨出部１０４は、リベットと同様の作用効果を発揮して、集電部材２４と金属部材１０１とを機械的かつ電気的に強固に接合することになる。図８に示した構造は、前述のいずれの金属部材にも適用することができる。

（ａ）は、燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図である。（ａ）の燃料電池セルスタック装置の一部拡大平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、端部集電部材の実施例をそれぞれ示す平面図である。 図２Ａに示した集電部材の部分拡大斜視図である。 図１の金属部材のさらに別の実施形態を示す図である。 図３と同様に、図１の金属部材のさらに別の実施形態を示す図である。 図３及び図４にそれぞれ示した金属部材を燃料電池セルスタック装置に組み込んだ状態を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）及び（ｄ）はそれぞれ金属部材を用いた燃料電池セルスタックの端部の拡大断面図である。 ２つの燃料電池セルスタックをそれぞれの燃料電池セルの配列方向を互いに平行として並置した場合の金属部材の実施形態を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は図４に示した金属部材を用いた燃料電池セルスタックの端部の拡大断面図であり、（ｅ）は図３に示した金属部材を用いた燃料電池セルスタックの端部の拡大断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１の金属部材のさらに別の実施形態を示す図である。 燃料電池セルスタックの端部集電部材と、本発明の金属部材との接合形態の一例を示す、軸方向に垂直な方向の断面図である。 （ａ）は、従来の燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図である。（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置の一部拡大平面図である。

符号の説明

２１ 燃料電池セルスタック装置
２２ 燃料電池セルスタック
２３、３１、４１、６１、７１、８１、９１、１０１ 金属部材

Claims (7)

1. 筒型で柱状の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して複数個配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端部にそれぞれ設けた端部集電部材と、該端部集電部材の外側に配置された金属部材と、該金属部材の一部から外方に向けて帯状に延びる電流引出し部と、前記燃料電池セルの一端部を固定するマニホールドとを具備するとともに、前記金属部材の一端部が、前記マニホールドに絶縁状態にて接合固定されていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
2. 前記電流引出し部の一部が、前記マニホールドに絶縁性固着剤により固定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セルスタック装置。
3. 筒型で柱状の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して複数個配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端部にそれぞれ設けた端部集電部材と、該端部集電部材の外側に配置された金属部材と、該金属部材の一部から外方に向けて帯状に延びる電流引出し部と、前記燃料電池セルの一端部を固定するマニホールドとを具備するとともに、前記電流引出し部の一部が、前記マニホールドに絶縁性固着剤により固定されていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
4. 前記金属部材が、最端部に位置する前記燃料電池セルの端部側の面に対向して配置される平板部と、前記平板部の両側縁から屈曲する一対の側板部とを具備することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
5. 筒型で柱状の固体酸化物形燃料電池セルを集電部材を介して複数個配列させ電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端部にそれぞれ設けた端部集電部材と、該端部集電部材の外側に配置された金属部材と、該金属部材の一部から外方に向けて帯状に延びる電流引出し部と、前記燃料電池セルの一端部を固定するマニホールドとを具備するとともに、前記金属部材が、最端部に位置する前記燃料電池セルの端部側の面に対向して配置される平板部と、前記平板部の両側縁から屈曲する一対の側板部とを具備することを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を、前記燃料電池セルの配列方向を互いに平行として２つ以上並置するとともに、各々の前記燃料電池セルスタック装置の前記金属部材同士を導電性の連結部材により相互に連結したことを特徴する燃料電池セルスタック連結装置。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置または請求項６に記載の燃料電池セルスタック連結装置を、収納容器内に収容してなることを特徴とする燃料電池。

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