JP5077808B2 - 燃料電池スタック用断熱容器及び燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のスタック構造体を収容する断熱容器に関し、より詳しくは、燃料電池スタック構造体を構成する各電池ユニットの電圧をモニタするのに使用可能な燃料電池スタック用断熱容器及びその製造方法、並びにこの断熱容器を用いた燃料電池装置に関するものである。

従来、燃料電池の各セルの電圧をモニタするための装置としては、複数のセル電圧モニタ端子と、複数の導線と、複数の導線を内蔵した柔軟性を有する樹脂シートを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２９３９２４号公報

しかしながら、かかる従来の燃料電池用セル電圧モニタ装置においては、燃料電池の高温運転を想定しておらず、例えば、２００℃以上の高温下では、導線を内蔵した樹脂シートが劣化したり溶融してしまい、その電圧をモニタできないことがあるという問題があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池スタック構造体を構成する各電池ユニットの電圧をモニタするのに使用可能で、高温でも電圧をモニタできる燃料電池スタック用断熱容器、その製造方法及び燃料電池装置を提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、リードなどを断熱容器に埋設することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、複数の電池ユニットを積層して成る燃料電池スタック構造体を収容する蓋付の断熱容器である。この断熱容器は、その壁部に埋設され、それぞれの上記電池ユニットの電圧端子と接続された壁部リードと、その蓋部に設置され、上記壁部リードと接続された蓋部端子と、上記蓋部に埋設され、上記蓋部端子と接続された蓋部リードと、上記蓋部リードと接続してこれらの蓋部リードを集約するとともに、電圧モニタ手段と接続される集中コネクタと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の燃焼電池スタック用断熱容器の製造方法は、上述の如き燃料電池スタック用断熱容器を製造するに当たり、上記壁部を構成する断熱材を含む複数の層のうちの外側の層の表面に、上記壁部リードを構成する導電材の一端側部分を配置し、次いで、貫通孔を有する内側の層を上記外側の層に積層するとともに、この貫通孔に上記導電材の他端側部分を挿入して、積層構造を有する成形体を形成し、しかる後、上記成形体を焼成することを特徴とする。

更に、本発明の燃料電池装置は、上述の如き燃料電池スタック用断熱容器と、この断熱容器に収容された燃料電池スタック構造体と、電圧モニタ手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、リードなどを断熱容器に埋設することなどとしたため、燃料電池スタック構造体を構成する各電池ユニットの電圧をモニタするのに使用可能で、高温でも電圧をモニタできる燃料電池スタック用断熱容器、その製造方法及び燃料電池装置を提供することができる。

本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、複数の電池ユニットを積層して成る燃料電池スタック構造体を収容する蓋付の断熱容器であって、その壁部に埋設され且つ夫々の電池ユニットの電圧端子と接続された壁部リードと、その蓋部に設置され且つ壁部リードと接続された蓋部端子と、蓋部に埋設され且つ蓋部端子と接続された蓋部リードと、蓋部リードと接続してこれらの蓋部リードを集約するとともに電圧モニタ手段と接続される集中コネクタを備えている。

本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、自動車等の移動体の電源として用いられる燃料電池スタック構造体を収容するのに好適な断熱容器である。このため、断熱容器は、電池ユニットの積層方向のいずれか一方側において、ガス流路やモニタの電気配線などを取り出すものとなっており、とくに、モニタの電気配線については、上述の如く容器の壁部や蓋部に埋設することにより、配線同士が短絡することなく蓋部の集中コネクタに集約される。これにより、当該断熱容器を高温型燃料電池に適用した場合でも、各電池ユニットの電圧を容易に且つ効果的にモニタリングすることが可能であり、このほか、配線の組み込み工数を大幅に削減し得ると共に、断熱容器内の省スペース化を図ることもできる。

また、本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、より好ましい実施形態として、蓋付の有底円筒状をなして壁部が周壁部を形成し、この周壁部において、壁部リードは、周方向にそれぞれ間隔をもって配置され、その一端が高さ方向に延在するとともに、他端が半径方向内側に延在して全体形状がＬ字状をなし、それぞれの電池ユニットの電圧端子と接続していることを特徴としている。

上記構成を備えた断熱容器は、配線同士の短絡を防止すると共に、配線を高密度に効率良く配置することが可能であって、容器内部の省スペース化を図ることができる。なお、上記構成において、電圧端子の配置は、必ずしも隣接というパターンだけでなく、例えば図４（ｂ）に示すように、中心側から外側へ配置されるようなパターンであっても良い。

さらに、本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、より好ましい実施形態として 電圧端子が周壁部の方向に凸設されているとともに、この凸設電圧端子に対向する周壁部の部位が凹設され、この凹設部に、凸設電圧端子が嵌合して壁部リードと接続していることを特徴としており、これにより、電気配線と各電池ユニットとの電気的接続をより確実に行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、より好ましい実施形態として 凸設電圧端子が弾性を有することを特徴としており、これにより、電気配線と電池ユニットとの電気的接続を容易に行うことができ、電池ユニットの組み込み、あるいは燃料電池スタック構造体の組み込みを容易にすることができる。

さらに、本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、より好ましい実施形態として 壁部リードの露出部が耐酸化性被膜を有することを特徴としている。

上記構成において、壁部リードの露出部は、壁部リードの末端部であって、容器内で電池ユニットと電気的に接続する際に酸化ガス（空気）による酸化雰囲気に晒されるため、耐酸化表面処理を施す必要がある。表面処理の方法は、電気配線（壁部リード）に使用する材料によって異なるので、本発明ではとくに限定しない。ただし、耐酸化の条件は６００〜８００℃の空気雰囲気下とする。このように、壁部リードの露出部に耐酸化処理を行うことで、電池ユニットの凸部との接触抵抗を低減すると共に、電気的な長期安定性を得ることができる。

さらに、本発明の燃料電池スタック用断熱容器は、より好ましい実施形態として 壁部が、断熱材を含む複数の層から成る多重管状構造を有し、壁部リードの一端側部分がこれら複数の層の層間に配置されているとともに、他端側部分が当該壁部リードよりも内側に位置する層を介して電圧端子と接続していることを特徴としている。

上記構成において、電気配線を構成する壁部リードは、多重管状構造の壁部を形成する断熱材や絶縁材に埋設されていて、その一端部が各電池ユニットの電圧端子に接続されると共に、他端部が蓋部の蓋部リードに接続される。よって、壁部リードは先述の如くＬ字状になる。これにより、電気配線同士（壁部リード同士）の短絡を防止し、効率良く配置することが可能であり、容器内部の省スペース化も図ることができる。

さらに、本発明の燃料電池スタック用断熱容器の製造方法は、上記の燃料電池スタック用断熱容器を製造するにあたり、壁部を構成する断熱材を含む複数の層のうちの外側の層の表面に、壁部リードを構成する導電材の一端側部分を配置し、次いで、貫通孔を有する内側の層を外側の層に積層するとともに、この貫通孔に導電材の他端側部分を挿入して、積層構造を有する成形体を形成し、しかる後、成形体を焼成する。

より具体的には、例えば導電材に純Ａｇを用い、この導電材を基板材（ガラス＋アルミナ）上に設け、穴（ビア）で接続し、セラミック基板を積層する方法を採用する。このように、導電材と断熱材や絶縁材となる基板とを同時焼成することで、導電材すなわち電気配線である壁部リードが埋設された断熱容器を作製することができる。このとき、断熱材、耐熱材料及び絶縁材料は、とくに限定はしないが、一般的な材料で、高温（６００〜８００℃）で使用可能なものであることが望ましい。そして、上記の製造方法によれば、セラミックスの共焼結プロセスを応用したものであるため、断熱容器を容易に得ることが可能であって、量産性に優れている。

以下、図面に基づいて、本発明の燃料電池スタック用断熱容器の一実施例を説明する。なお、本発明の断熱容器は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１に示す燃料電池装置１は、燃料電池スタック用断熱容器２と、この断熱容器２に収容した燃料電池スタック構造体３と、燃料電池スタック構造体３を構成する各電池ユニット４の電圧をモニタリングするための電圧モニタ手段５を備えている。

燃料電池スタック用断熱容器２は、図１中で上側に開放された有底円筒状を成す容器内殻６と、この容器内殻６よりも一回り大きな箱型を成してこれを覆う容器外殻７を備え、容器内殻６と容器外殻７の間に真空間隙層８を形成すると共に、容器内殻６の内側に、例えば多孔質セラミックスから成る断熱材９を介して、複数の電池ユニット４を積層して成る燃料電池スタック構造体３が収容してある。

つまり、当該断熱容器２は、その壁部が筒状の周壁部２Ａであって、この周壁部２Ａが、容器内殻６、容器外殻７、真空間隙層８及び断熱材９といった複数の層から成る多重管状構造になっている。また、当該断熱容器２は、上側の開放部分に、これを閉塞する蓋部２Ｂが設けてあり、この蓋部２Ｂの内側にも容器内殻６の内側と同様に断熱材９が設けてある。

燃料電池スタック構造体３は、円盤状の電池ユニット４を複数枚積層して成るものであり、容器内殻６及び容器外殻７の各上下面に夫々設けた開口６ａ，７ａを貫通する配管（管体）Ｐによって支持されており、この配管Ｐを介して各電池ユニット４に燃料ガスを供給し且つ排出するようになっている。

この場合、容器内殻６及び容器外殻７の各開口６ａ，７ａには、断熱材９に設けた開口９ａの周縁部と接続する電気絶縁性を有するセラミックス製の断熱筒１０が嵌合してあり、配管Ｐは、耐熱性を有する屈曲させたばね板リング１１を介して断熱筒１０に固定してある。

このばね板リング１１は、断熱筒１０との接触面積を小さく抑えることで、高温下において、容器内殻６及び容器外殻７への熱伝導を低減しつつ、断熱筒１０に対して強固に配管Ｐを固定するようになっている。断熱筒１０は、熱伝導を低減し得るうえ、電気的絶縁性をも備えている。

電池ユニット４は、図４（ａ）に示すように、扁平な円盤状のケース内に、固体酸化物層を燃料極層と空気極層で挟持して成る発電要素を収容し、ケース内に燃料極層に対する燃料ガス流路を有すると共に、空気極層をケース外部に露出させた構造になっている。したがって、燃料極層に対しては、上述の如く配管Ｐを介してケース内に燃料ガスの供給が行われると共に、同配管Ｐを介して排気ガスの排出が行われる。他方、空気極層に対しては、断熱容器２の蓋部２Ｂに設けた供給管１２Ａにより、断熱容器２の内部に酸化ガス（空気）が供給されると共に、排出管１２Ｂにより排気ガスの排出が行われることとなる。

上記の燃料電池スタック構造体３を収容した燃料電池スタック用断熱容器２は、その周壁部２Ａ及び蓋部２Ｂに電気配線を埋設した構造になっている。詳しくは、図２にも示すように、電気配線として、周壁部２Ａに埋設され且つ各電池ユニット４の電圧端子Ｔｕに夫々接続した壁部リードＬ１と、蓋部２Ｂに設置され且つ各壁部リードＬ１に夫々接続した蓋部端子Ｔｃと、蓋部２Ｂに埋設され且つ各蓋部端子Ｔｃに夫々接続した蓋部リードＬ２と、各蓋部リードＬ２と接続してこれらの蓋部リードＬ２を集約するとともに電圧モニタ手段５と接続される集中コネクタＣを備えている。

ここで、上記の各壁部リードＬ１は、当該断熱容器２の周壁部２Ａを構成する夫々の断熱材９に埋設してあり、各蓋部リードＬ２は、蓋部２Ｂに埋設してある。とくに、各壁部リードＬ１は、周方向にそれぞれ間隔をもって配置され、図３に示すように、一端が高さ方向に延在するとともに、他端が半径方向に延在して全体形状がＬ字状を成しており、他端が各電池ユニット４の電圧端子Ｔｕに夫々接続される。

断熱材９は、複数の層から成る構造を有しており、各層間に壁部リードＬ１の垂直部分を埋設している。これにより、各壁部リードＬ１は、互いの短絡が確実に防止されると共に、高密度に効率良く配置されたものとなる。なお、各壁部リードＬ２の水平部分は、積層した各電池ユニット４に夫々接続するので、高さ方向に互いに離間しており、短絡を起こす心配は無い。

また、断熱材９は、図４（ａ）に示すように、各壁部リードＬ１の水平部分の末端部に凹設部９ｂを有しており、これに対して、各電池ユニット４の電圧端子Ｔｕは、弾性を有するものであると共に、断熱材９を含む周壁部２Ａの方向に凸設されている。そして、断熱材９の凹設部９ｂに電圧端子Ｔｕを嵌合することで、各電池ユニット４と各壁部リードＬ１とを電気的に接続している。

これにより、当該断熱容器２に対する燃料電池スタック構造体３の組み付け、あるいは各電池ユニット４の組み付け、並びに各電池ユニット４と壁部リードＬ１との結線といった作業を容易に行うことができる。

さらに、各壁部リードＬ１は、断熱容器２内において、断熱材９と電池ユニット４との間で露出する部分があり、先述したように、断熱容器２内には酸化ガスが供給されることから、露出部が酸化雰囲気に晒されることになる。そこで、各壁部リードＬ１は、露出部に耐酸化性被膜が形成してあり、これにより、電池ユニット４の電圧端子Ｔｕとの接触抵抗を低減し、電気的な長期安定性を得ることができる。

蓋部端子Ｔｃは、各壁部リードＬ１の上端部に対応し、この際、各壁部リードＬ１が周壁部２Ａの周方向に所定間隔をもって配置してあることから、蓋部２Ｂにおいて円周上に所定間隔で配置されている。

上記の各蓋部端子Ｔｃに接続する蓋部リードＬ２は、複数層から成る蓋部２Ｂの層間に埋設してある。すなわち、壁部リードＬ２は、図５（ａ）〜（ｉ）に示す各層毎に配置され、図５（ｊ）に全ての配置を示すように、いずれも集中コネクタＣに接続してある。

上記の構成を有する燃料電池スタック用断熱容器２は、例えば、周壁部２Ａを構成する断熱材９を含む複数の層のうちの外側の層の表面に、壁部リードＬ１を構成する導電材の一端側部分を配置し、次いで、貫通孔（凹設部９ｂ）を有する内側の層を外側の層に積層するとともに、この貫通孔に導電材の他端側部分を挿入して、積層構造を有する成形体を形成し、その後、成形体を焼成することで形成することができる。

図６は、本発明の燃料電池スタック用断熱容器の他の実施例を説明する図である。なお、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の断熱容器２２は、先の実施例では１個の燃料電池スタック構造体３を収容するのに対して、４個の燃料電池スタック構造体３を収容しており、周壁部２Ａを構成する複数層の断熱材９に壁部リードＬ１が埋設してあり、各壁部リードＬ１を各燃料電池スタック構造体３を構成する電池ユニット４に接続する。

なお、本発明の断熱容器は、収容可能な燃料電池スタック構造体の数が限定されることはないが、周壁部に埋設した壁部リードと各電池ユニットとを接続する都合上、全ての燃料電池スタック構造体の少なくとも一部が周壁部に近接した配置にすることが望ましい。

また、本発明の断熱容器は、その構成の細部が上記各実施例に限定されることはなく、各構成部位の形状や数及び材質等を適宜変更することが可能である。

本発明の燃料電池スタック用断熱容器の一実施例を説明する燃料電池装置の断面図である。 図１に示す断熱容器における電気配線を示す斜視説明図である。 壁部リードの配置を説明する断面図である。 電池ユニットと壁部リードとの接続を示す斜視説明図（ａ）及び接続の変形例を示す斜視図（ｂ）である。 蓋部リードの配置を示す各々平面説明図（ａ）〜（ｊ）である。 本発明の燃料電池スタック用断熱容器の他の実施例を示す燃料電池装置の謝し説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池装置。
２ ２２ 断熱容器
２Ａ 周壁部（壁部）
２Ｂ 蓋部
３ 燃料電池スタック構造体
４ 電池ユニット
５ 電圧モニタ手段
９ 断熱材（壁部、蓋部）
９ｂ 凹設部
Ｃ 集中コネクタ
Ｌ１ 壁部リードと、
Ｌ２ 蓋部リード
Ｔｃ 蓋部端子
Ｔｕ 電圧端子

Claims (8)

1. 複数の電池ユニットを積層して成る燃料電池スタック構造体を収容する蓋付の断熱容器であって、
   その壁部に埋設され、夫々の電池ユニットの電圧端子と接続された壁部リードと、
   その蓋部に設置され、上記壁部リードと接続された蓋部端子と、
   上記蓋部に埋設され、上記蓋部端子と接続された蓋部リードと、
   上記蓋部リードと接続してこれらの蓋部リードを集約するとともに電圧モニタ手段と接続される集中コネクタと、を備えたことを特徴とする燃料電池スタック用断熱容器。
2. 蓋付の有底円筒状をなして上記壁部が周壁部を形成し、
   この周壁部において、上記壁部リードは、周方向にそれぞれ間隔をもって配置され、その一端が高さ方向に延在するとともに、他端が半径方向内側に延在して全体形状がＬ字状をなし、それぞれの上記電池ユニットの電圧端子と接続している、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用断熱容器。
3. 上記電圧端子が上記周壁部の方向に凸設されているとともに、この凸設電圧端子に対向する上記周壁部の部位が凹設され、この凹設部に、上記凸設電圧端子が嵌合して上記壁部リードと接続していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック用断熱容器。
4. 上記凸設電圧端子が弾性を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック用断熱容器。
5. 上記壁部リードの露出部が耐酸化性被膜を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック用断熱容器。
6. 上記壁部が、断熱材を含む複数の層から成る多重管状構造を有し、上記壁部リードの一端側部分がこれら複数の層の層間に配置されているとともに、他端側部分が当該壁部リードよりも内側に位置する層を介して上記電圧端子と接続していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック用断熱容器。
7. 請求項６に記載の燃料電池スタック用断熱容器を製造するにあたり、
   上記壁部を構成する断熱材を含む複数の層のうちの外側の層の表面に、上記壁部リードを構成する導電材の一端側部分を配置し、
   次いで、貫通孔を有する内側の層を上記外側の層に積層するとともに、この貫通孔に上記導電材の他端側部分を挿入して、積層構造を有する成形体を形成し、
   しかる後、上記成形体を焼成することを特徴とする燃料電池スタック用断熱容器の製造方法。
8. 請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタック用断熱容器と、この断熱容器に収容された燃料電池スタック構造体と、電圧モニタ手段と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。

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