JP4981331B2 - 燃料電池セルスタック及び集電体 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セルを複数配列させた燃料電池セルスタックと、その燃料電池セル間を電気的に接続する集電体に関する。

近年、次世代エネルギーとして燃料電池セルのスタックを収納ケースに収容した燃料電池が種々提案されている。
図１０は、特許文献１等において従来提示されている固体電解質形燃料電池セルの一例であり、燃料電池セル３０の断面を含む部分斜視図である。燃料電池セル３０は全体形状が扁平な柱状であり、ガス透過性のある導電性支持管３１の内部に軸方向に沿って燃料ガス通路３１ａが穿設され、導電性支持管３１の外面上にサーメットからなる燃料極３２、固体電解質３３、導電性セラミックスからなる酸素極３４が順次積層されている。酸素極３４に対向する外面上には接合層３８を介して導電性セラミックスからなるインターコネクタ３５が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層３９を設けている。例えば、燃料極３２はＮｉと、Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とから形成され、固体電解質３３はＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）から形成され、酸素極３４はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から形成される。

斯かる燃料電池セル３０では、燃料ガス通路３１ａに燃料ガスを流すことにより燃料極３２に水素を供給し、一方、燃料電池セル３０の周囲に酸素含有ガスを供給することにより酸素極３４に酸素を供給する。これにより、酸素極３４及び燃料極３２で次の電極反応がそれぞれ生じることによって発電する。反応は、６００〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

上記構造の燃料電池セルは、セル当たりの発電量が小さいため、複数個一列に配列させて各燃料電池セルの一端をマニホールドに支持固定し、導電性材料からなる集電体を用いて隣り合う燃料電池セルの酸素極とインターコネクタとを電気的に接続することにより、燃料電池セルスタックを構成する。従来の集電体は、各燃料電池セルとの接触抵抗をできるだけ小さくしかつ酸素極へのガス供給を妨げないような構造とされている。集電体の従来例としては、特許文献２の網状のものや特許文献３の螺旋状のものなど、周囲空間との通気性を確保しかつセル間距離の変動に追随できる柔軟なタイプのものがよく用いられている。
さらに、この燃料電池セルスタックを、燃料極３２への燃料ガス供給手段及び酸素極３４への酸素含有ガス供給手段等と共に収容ケースに収容して燃料電池モジュールを構成する。

収容ケース内の酸素含有ガスの供給手段としては、例えば、燃料電池セルスタックの近傍に酸素含有ガス供給ノズルを設け、その末端の流出口から加圧された酸素含有ガス（例えば空気）を噴射する形態がある。また、燃料ガス供給手段としては、例えば、被改質ガスを改質する改質器を備え、改質された水素リッチな燃料ガスを、マニホールドの内部空間を介して燃料電池セルの燃料ガス通路へ送り込む形態がある。
特開２００３−３１７７５１号公報 特開２００５−１９２３９号公報 特開２００４−２２８０５０号公報

燃料電池セルスタックには複数の燃料電池セルが含まれるが、発電量及び発電効率を向上させるためには、各々のセルに対して均等にガスを供給することが好ましい。そして、燃料電池セルにおける発電効率は、酸素極と燃料極の酸素濃度差が大きいほど良好である。
しかしながら、加圧された酸素含有ガスをセルスタックの周囲で噴射しても、収容ケース内がほぼ大気圧であるので酸素含有ガスはセルスタックの周囲に留まらず拡散しやすく、酸素極に対して十分高濃度の酸素含有ガスを供給することができなかった。噴射後の酸素含有ガスの拡散を防止するために、例えばその流速や流量を好適に制御すると、収納ケース内の熱が排出されてしまい燃料電池セルが熱自立しなくなり、発電性能が低下するという問題がある。また、流速等の制御のために圧縮機等の設備が大きくなりコストも高くなるという問題もある。

同様の問題は、酸素極と燃料極が逆に設けられる形態の燃料電池セルにおいてもいえる。この場合は、燃料電池セル内を酸素含有ガスが通過し、セルスタックの周囲に燃料ガスが供給される。そして、燃料ガスがセルスタックの周囲に留まらず拡散してしまうために、セル外面上の燃料極に対して十分高濃度の燃料ガスが供給できなくなる。

さらに集電体については、隣り合う燃料電池セル間の電気抵抗をできるだけ小さくするために、セル外面上の電極に対し大面積で密着しかつセル間を短距離で接続することが望ましいが、同時にセル外面上の電極に反応ガスを十分供給できる構成とすることが要求される。

以上の現状に鑑み本発明は、燃料電池セル間を集電体を用いて電気的に接続した燃料電池セルスタックにおいて、セル外面上の電極に対し反応ガス（酸素含有ガスまたは燃料ガス）を十分高濃度で供給すると同時に良好な電気的接続を行うことにより、集電ロスを低減して高出力の発電を可能とすることを目的とする。さらにこれを、熱自立を損なわず現状の設備を増大したり制御システムを変更することなく実現することを目的とする。

上記の目的を達成する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は、軸方向に第１ガス流路を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う燃料電池セル間を集電体を用いて電気的に接続する燃料電池セルスタックにおいて、
前記集電体が、前記隣り合う燃料電池セル間に挿入されかつ前記軸方向と平行な第２ガス流路となる内部空間を具備する筒体を有し、
前記筒体が、前記隣り合う燃料電池セルの各々に対して当接する一対の対向するセル当接部と、前記一対のセル当接部における前記軸方向に垂直な方向の両端同士を連結する一対のガス封止部とを具備するとともに、前記セル当接部は通気孔を有し、
前記第２ガス流路を、前記軸方向における一方側開口から他方側開口に向けてガスが流れ、前記セル当接部が前記燃料電池セルに当接することにより前記第２ガス流路から前記通気孔を介して前記燃料電池セルへガスが供給され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は、請求項１において、前記燃料電池セルにおける前記第１ガス流路が燃料ガス流路であり、かつ前記集電体における前記第２ガス流路が酸素含有ガス流路であ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は、請求項1または２において、前記通気孔の大きさが前記第２ガス流路の上流側より下流側において大きいことを特徴とする。
（４）請求項４に係る燃料電池セルスタックは、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記集電体の前記ガス封止部の一部に前記第２ガス流路への導入開口を穿設したことを特徴とする。
（５）請求項５に係る燃料電池セルスタックは、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記集電体が、前記一対のセル当接部同士を連結するべく前記筒体の内部空間に架設される導電性架橋部をさらに具備することを特徴とする。
（６）請求項６に係る集電体は、軸方向に貫通する第１ガス流路を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させた燃料電池セルスタックにおいて隣り合う燃料電池セル間を電気的に接続する集電体であって、
前記隣り合う燃料電池セル間に挿入されかつ前記軸方向と平行な第２ガス流路となる内部空間を具備する筒体を有し、
前記筒体が、前記隣り合う燃料電池セルの各々に対して当接する一対の対向するセル当接部と、前記一対のセル当接部における前記軸方向に垂直な方向の両端同士を連結する一対のガス封止部とを具備するとともに、前記セル当接部は通気孔を有し、
前記第２ガス流路を、前記軸方向における一方側開口から他方側開口に向けてガスが流れ、前記セル当接部が前記燃料電池セルに当接することにより前記第２ガス流路から前記通気孔を介して前記燃料電池セルへガスが供給されることを特徴とする。

請求項１の燃料電池セルスタックでは、燃料電池セル内の第１ガス流路に一方の反応ガス（燃料ガスまたは酸素含有ガス）を通過させ、集電体の筒体内部空間である第２ガス流路に他方の反応ガス（酸素含有ガスまたは燃料ガス）を通過させることができる。第２ガス流路は、筒体のセル当接部とガス封止部とにより囲まれているため、通過する反応ガスの拡散を防止することができ、高濃度の反応ガスを燃料電池セルに供給できる。その結果、反応ガスが有効に利用されるため、発電量・発電効率が向上する。また、集電体のセル当接部に通気孔を設けたので、燃料電池セルの外面上に設けた電極（燃料極または酸素極）に対して第２ガス流路から十分に反応ガスを供給できる。

請求項２では、燃料電池セル内の第１ガス流路に燃料ガスを、集電体内の第２ガス流路に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスとしては通常空気が用いられるため、改質処理が必要な燃料ガスと異なりコスト的に安価である。集電体へのガス供給は、セルスタックの周囲空間と完全に隔絶した状態では行われず多少であってもガスの無駄が生じるため、集電体へ供給する反応ガスを酸素含有ガスとすることが好適である。

請求項３では、第２ガス流路上の通気孔の大きさを上流側より下流側において大きくする。反応ガスは流路を移送される間に消費されるため、下流側へ行くほど供給量が少なくなる。従って、通気孔の大きさにこのような差を設けることで、上流側と下流側の反応ガスの濃度差を緩和し、流路上での反応ガス濃度をできるだけ均一とすることができる。

請求項４では、集電体のガス封止部の一部に第２ガス流路への導入開口を設けたので、第２ガス流路内に反応ガスを周囲から効率的に取り込むことができる。

請求項５では、集電体の筒体内部空間に、対向するセル当接部の内面同士を接続する導電性架橋部を架設したので、対向するセル当接部間の電流経路を短くかつ太くすることができ、その結果、燃料電池セル間の電気抵抗を低減し、電気的接続を良好にする。

請求項６の集電体は、燃料電池セルスタックにおける燃料電池セル間の電気的接続に使用されることにより、上記の請求項１と同様の効果を奏することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の燃料電池セルスタック装置１の実施形態を示す概略的な外観斜視図である。但し、実際の状態と異なり、セルスタックを組む際の押圧力を加えない状態（すなわち、集電体に力が付加されていない状態）で示した説明的な図である。固体電解質形燃料電池セル３０は、背景技術で説明した図１０と同じ扁平柱状のものである。以下の説明では、便宜上、燃料電池セル３０の軸方向を上下方向として説明するが、この軸方向を水平に向けて設置することもある。燃料電池セル３０の内部には軸方向に複数の燃料ガス流路（第１ガス流路）３１ａが穿設されている。前述の通り、扁平柱状の燃料電池セル３０の一方の平坦外面上には酸素極が、他方の平坦外面上にはインターコネクタ（燃料極と導通）が設けられている。

なお、以下の説明は、燃料電池セル内部のガス流路に燃料ガスが供給され、燃料電池セルの周囲に酸素含有ガス（例えば空気）が供給される形態を例とするが、逆に、燃料電池セル内部のガス流路に酸素含有ガスが供給され、燃料電池セルの周囲に燃料ガスが供給される形態（この場合、燃料電池セルの燃料極と酸素極も逆の配置となる）においても本発明は適用可能である。

図１では、燃料電池セル３０を複数配列させて構成した１つの燃料電池セルスタックの一部のみを示している。各燃料電池セル３０の下端は、マニホールド４１の上壁を形成するガラスまたはセメント等のセル固定材４２により支持固定される。それぞれの燃料ガス流路３１ａはマニホールド４１の内部空間と連通する。

燃料電池セル３０同士の間には、一方のセルの酸素極と他方のセルのインターコネクタとを電気的に接続する集電体１０が挿入される。集電体１０は、耐熱金属、貴金属またはセラミックス等の導電性材料からなる筒体で形成される。この筒体は、燃料電池セル３０の平坦外面に対して当接する一対のセル当接部１１と、各セル当接部１１の両端同士を連結する一対のガス封止部１２とを具備する。セル当接部１１には通気孔１３が穿設されている。ガス封止部１２は一連の壁でありガスは通過不能である。なお、筒体の上端と下端は開放されている。この筒体の内部空間は、酸素含有ガスの流路（第２ガス流路）となる。

図１では、説明の便宜上、集電体１０のセル当接部１１と通気孔１３の一部が見える状態を示しているが、実際にはセルスタック１の組み立ての際に矢印のように所定の押圧力を付加して全体を固定するため、セル当接部１１は燃料電池セル３０の平坦外面と完全に密着された状態となり、通気孔１３も外部からは見えなくなる。

図示の例では、酸素含有ガス供給ノズル５１がセルスタック１の側面近傍において上方から延び集電体１０の下端より低い位置まで到達し、その先端にセルスタック１の方へ向いた流出口を具備する。従って、供給ノズル５１により上方から供給された酸素含有ガスは、流出口で水平方向に方向転換させられ、集電体１０の下端近傍に向かって噴射される。なお、流出口が両方向に開口しているのは、隣に設置される同じ構造の別のセルスタックに対しても噴射するためである。流出口の位置及びその向きは適宜設定できる。一実施例として、供給ノズル５１の流出口を、集電体１０の下端開口の直下まで延長し、内部空間に向かって上方に噴射するように設けてもよい。

図１において、噴射された高圧の酸素含有ガスは、集電体１０の筒体下端開口からその内部空間に流入し、上昇途中で電極反応のために消費され、余剰ガスが上端開口から放出される。集電体１０の筒体側面はガス封止部１２により閉じられているため、筒体側面を通したガスの出入はない。従来の集電体は、その側面からもガスを積極的に導入できるように通気性のよい構造（網状、多孔状等）が一般的であったが、本発明の集電体１０は、下端開口からのみガスを導入し、側面は完全に閉鎖して煙突状の構造とした点が特徴である。この構造により、酸素含有ガスの拡散を格段に低減でき、高圧状態を保持できるので、高濃度で燃料電池セル３０の酸素極へ供給できる。

図２Ａは、燃料電池セルスタック１を３個並置した状態の平面図である。酸素含有ガス供給ノズル５１は、燃料電池セルスタック１同士の間に燃料電池セル３０の配列方向に沿って３個ずつ設けられている。供給ノズル５１の数及び位置は、燃料電池セル３０の周囲にできるだけ均一な濃度で酸素含有ガスが分布するように設定される。

図２Ｂは、図２Ａのセルスタック１の一部の拡大平面図であり、集電体１０の筒体の上端開口側から見た図である。筒体の内部空間１６は、一対の対向するセル当接部１１ａ、１１ｂと、これらの両端同士を連結する一対のガス封止部１２ａ、１２ｂにより囲まれている。一方のセル当接部１１ａは、一方の燃料電池セル３０ａの酸素極３４側の平坦面と当接し、他方のセル当接部１１ｂは、他方の燃料電池セル３０ｂのインターコネクタ３５側の平坦面と当接する。セル当接部１１ａと酸素極３４との間、及びセル当接部１１ｂとインターコネクタ３５との間の電気的接続は、押圧力のみによる機械的接着及び／または導電性ペースト等を用いた化学的接着により形成される。
なお、通気孔１３は、酸素極３４に当接する側のセル当接部１１ａにのみ設ければよい。集電体１０の筒体は、外部に開口しておらず、導入された酸素含有ガスは通気孔１３を介して酸素極３４に供給され、その残余は筒体内部空間を強制的に流通させられる。

図３は、図１に示したセルスタックにおける集電体１０の一実施形態を示す図である。（ａ）は外観図で、白抜き矢印は酸素含有ガスの流れを示す（以下の図面も同様）。（ｂ）は展開図である。一対のセル当接部１１と一対のガス封止部１２から構成される筒体は、断面が楕円形状である。この集電体１０をセルスタックに組み込み、所定の押圧力を付加して固定すると、セル当接部１１が燃料電池セルの平坦外面上に密着するように変形して、前述の図２Ｂに示したような扁平な形状となる。図３の集電体１０では、一対のセル当接部１１の各々に、幅方向に延びる複数の通気孔１３が穿設されている。セル当接部１１のうち一方は、燃料電池セルの外面上に設けた酸素極に当接する。従って、筒体内部空間を流れる酸素含有ガスは通気孔１３を通して酸素極に供給されることとなる。

通気孔１３の大きさ、形状、数及び位置は、後述する別の実施形態のように多様に設定できる。しかしながら、通気孔１３の総面積が大きくなりすぎると、セル外面上の電極との電気的接続が阻害され、性能低下につながる。一方、通気孔１３の総面積が小さすぎたり、不均一な配置であったりすると、ガスが電極に対して十分かつ均等に供給されず、やはり性能低下につながる。よって、通気孔１３は最適に設定する必要がある。

図４は、集電体１０の別の実施形態を示している。図３に示した集電体と相違する点は、一対のセル当接部１１の一方にのみ、幅方向に延びる複数の通気孔１３が穿設されている点である。従って、図４の集電体１０をセルスタックに組み込む際には、通気孔１３を設けた方のセル当接部１１が燃料電池セルの酸素極側に向くように組み込む必要がある。この実施形態では、インターコネクタ側との接触面積を大きく確保できる。

図５は、図３または図４に示した集電体１０の変形形態を示している。図５の集電体１０では、セル当接部１１に設けた通気孔１３の大きさが、下方において小さく、上方において大きくなっている。つまり、通気孔１３の大きさが、酸素含有ガスの流路の上流側より下流側において大きくなっている。酸素含有ガスは流路を流れる間に消費されて下流側へ行くほど供給量が少なくなる傾向がある。従って、流路上の通気孔の大きさにこのような差を設けることで、上流側と下流側のガスの濃度差を緩和し、流路上でのガス濃度をできるだけ均一とすることができる。

図６は、集電体１０のさらに別の実施形態を示している。前述の図３に示した集電体と相違する点は、通気孔１３の形状である。図６の集電体１０の通気孔１３は、幅方向に複数に分割されている。

図７は、集電体１０のさらに別の実施形態を示している。前述の図３に示した集電体と相違する点は、通気孔１３の形状である。図７の集電体１０の通気孔１３は円形である。図示しないが、通気孔１３の形状は多角形でもよい。

図８は、集電体１０のさらに別の実施形態を示している。前述の図３に示した集電体と相違する点は、筒体の形状である。図８の集電体１０の筒体は、断面が矩形である。さらに、筒体内部空間にガスが流入しやすいように、一対のガス封止部１２の各々の下端部に導入開口１４を切り欠いている。

図９Ａは、集電体１０のさらに別の実施形態を示している。前述の図３に示した集電体と相違する点は、筒体の内部空間１６に導電性架橋部１５を設けている点である。（ｂ）は（ａ）のＡ断面図であり、筒体の内部空間１６に架設される導電性架橋部１５は、一対のセル当接部１１の内面同士を連結している。連結箇所は、例えば導電性ペースト等で接着される。一対のセル当接部１１同士は、両端のガス封止部１２によって電気的に接続されているが、さらに導電性架橋部１５を設けることにより電気的接続経路をさらに短くかつ太くして電気抵抗を低下させることができる。
なお、導電性架橋部１５の大きさ、数、形状及び位置は、内部空間内のガスの流れを妨げないかぎり、多様に設定できる。

図９Ｂは、図９Ａで示した導電性架橋部１５の別の実施形態である。図９Ｂの導電性架橋部１５は、一方のセル当接部１１ｂから筒体内部空間１６に突出し、他方のセル当接部１１ａの内面に当接可能な突起として形成されている。この場合は、別部材の導電性架橋部１５を取り付ける必要がなく、筒体を打ち出し加工することにより設けることができる。

本発明の基本的な実施形態を示す燃料電池セルスタック装置の概略的な外観斜視図である。 図１の燃料電池セルスタック装置を３個並置した状態の平面図である。 図２Ａに示した燃料電池セルスタックの一部の拡大平面図である。 図１に示したセルスタックの集電体の一実施形態を示す図である。（ａ）は外観図、（ｂ）は展開図である。 本発明における集電体の別の実施形態を示している。 本発明における集電体のさらに別の実施形態を示している。 本発明における集電体のさらに別の実施形態を示す図である。 本発明における集電体のさらに別の実施形態を示す図である。 本発明における集電体のさらに別の実施形態を示す図である。 本発明における集電体のさらに別の実施形態を示す図である。（ａ）は斜視外観図、（ｂ）は（ａ）のＡ断面図である。 本発明における集電体のさらに別の実施形態を示す図である。 従来の固体電解質形燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池セルスタック
１０ 集電体
１１ セル当接部
１２ ガス封止部
１３ 通気孔
３０ 燃料電池セル
４１ マニホールド

Claims (6)

1. 軸方向に第１ガス流路を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う燃料電池セル間を集電体を用いて電気的に接続する燃料電池セルスタックにおいて、
   前記集電体が、前記隣り合う燃料電池セル間に挿入されかつ前記軸方向と平行な第２ガス流路となる内部空間を具備する筒体を有し、
   前記筒体が、前記隣り合う燃料電池セルの各々に対して当接する一対の対向するセル当接部と、前記一対のセル当接部における前記軸方向に垂直な方向の両端同士を連結する一対のガス封止部とを具備するとともに、前記セル当接部は通気孔を有し、
   前記第２ガス流路を、前記軸方向における一方側開口から他方側開口に向けてガスが流れ、前記セル当接部が前記燃料電池セルに当接することにより前記第２ガス流路から前記通気孔を介して前記燃料電池セルへガスが供給されることを特徴とする燃料電池セルスタック。
2. 前記燃料電池セルにおける前記第１ガス流路が燃料ガス流路であり、かつ前記集電体における前記第２ガス流路が酸素含有ガス流路であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック。
3. 前記通気孔の大きさが前記第２ガス流路の上流側より下流側において大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セルスタック。
4. 前記集電体の前記ガス封止部の一部における一方側端に前記第２ガス流路への導入開口を穿設した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。
5. 前記集電体が、前記一対のセル当接部同士を連結するべく前記筒体の内部空間に架設される導電性架橋部をさらに具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
6. 軸方向に貫通する第１ガス流路を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させた燃料電池セルスタックにおいて隣り合う燃料電池セル間を電気的に接続する集電体であって、
   前記隣り合う燃料電池セル間に挿入されかつ前記軸方向と平行な第２ガス流路となる内部空間を具備する筒体を有し、
   前記筒体が、前記隣り合う燃料電池セルの各々に対して当接する一対の対向するセル当接部と、前記一対のセル当接部における前記軸方向に垂直な方向の両端同士を連結する一対のガス封止部とを具備するとともに、前記セル当接部は通気孔を有し、
   前記第２ガス流路を、前記軸方向における一方側開口から他方側開口に向けてガスが流れ、前記セル当接部が前記燃料電池セルに当接することにより前記第２ガス流路から前記通気孔を介して前記燃料電池セルへガスが供給されることを特徴とする集電体。

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