JP5106884B2

JP5106884B2 - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP5106884B2
Application number: JP2007049687A
Authority: JP
Inventors: 克明井上; 健一郎小阪; 達雄加幡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008218005A

Description

本発明は、燃料電池の配線に関する。

燃料電池の一種である固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）には平板型、横縞円筒型、縦縞円筒型などのタイプがある。複数のセルを並列または直列に接続する配線方法は、それぞれのタイプに応じて異なる。

図１は、複数の横縞円筒型ＳＯＦＣの電極を結合する方法の一例を示す。燃料電池モジュールが備える複数の円筒型セル１００の各々は、発電した電気を取り出すための電極として導電膜１０４を備えている。導電膜１０４の部位に巻き付けられて固縛された配線１０９によって、複数の円筒型セル１００は直列または並列に接続される。燃料電池モジュールの正極１０２と負極１０３は、それぞれ決まった円筒型セル１００の導電膜に巻き付けられて固縛された集電線である白金線１０８を引き出して端子に固定することにより、電力を供給される。

特許文献１には、固体酸化物形燃料電池システムが記載されている。この文献に記載の燃料電池システムは、外側管状固体酸化物型燃料電池と、その外側燃料電池の内部に配され、その内側電極層に取り付けられる固相多孔質マトリクスと、該マトリクスに埋設される少なくとも１個の内側管状固体酸化物型燃料電池とを含む。
特表２００５−５３１１０７号公報

図１に示されたような配線方法によると、固縛と集電線結合作業に時間を要する。特に、セルの数が多くなるほど、その作業の手間が多くなる。
更に、ＳＯＦＣは高温（結線部位で例えば５００〜７００℃）で運転されるため、常温で配線を行ってから運転すると、常温と運転温度との温度差によって配線がゆるみ、接触抵抗が変化する可能性があった。特にセルの本数が多い燃料電池モジュールでは、固縛部分が多いため配線のゆるむ部位の発生する可能性が高くなると考えられ、接触抵抗の変化による影響が出ることを防ぐ技術が望まれる。
更に、固縛を行うためには、隣接するセル間にある程度のスペースが必要である。この作業スペースにより、セルの集積度を高くするために隣接セルの間隔を小さくすることに限界があった。
更に、セルの集積度が増加すると、集電線に剛性が無くふらふらと宙に浮いた状態であることから、束ね処理が困難になっていた。

そこで、本発明の目的は、配線作業の効率の向上を可能とする燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、配線作業の効率が燃料電池セルの数に影響されない燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の更に他の目的は、温度変化による影響の少ない配線構造を有する燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の更に他の目的は、燃料電池セルの集積度の向上を可能とする燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の更に他の目的は、集電線の束ね処理の困難を解決する燃料電池モジュールを提供することである。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

燃料電池モジュール（２）の内部に多数の円筒型の燃料電池のセルチューブ（５）が互いに平行に並べて固定される。多数のセルチューブのそれぞれの端部に対応する位置に孔開け加工された金属薄板（２２、２４、２６）が用意される。孔の内側には、内側に向かって押し付ける弾性力を与える金属ばね（３８、４２、４４）が設けられる。多数のセルチューブの端部がそれぞれ孔を貫通するように金属薄板が嵌め込まれることにより、金属ばねがセルチューブの端部の電極と電気的に結合し、多数の燃料電池の電極が一挙に電気的に接続される。接続部がばねであるため、温度変形に対して余裕幅が得られる。

より詳細には、本発明による燃料電池モジュール（２）は、複数のＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）（５）を含む第一セル群（６）と、第一の孔群を有し、第一セル群（６）に属する複数のＳＯＦＣ（５）が第一の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することにより第一セル群（６）の第一電極群（１６）に属する複数の電極を電気的に結合する第一集電部材（２４）とを備える。

本発明による燃料電池モジュール（２）において、第一集電部材（２４）によって電気的に結合される複数の電極は、概ね複数のＳＯＦＣ（５）の長手方向に直交する同一平面上に配置される。

本発明による燃料電池モジュール（２）において、第一セル群（６）に属する複数のＳＯＦＣ（５）は、それぞれ横縞円筒型ＳＯＦＣである。

本発明による燃料電池モジュール（２）において、第一電極群（１６）に属する複数の電極と第一集電部材（２４）とは、第一集電部材（２４）の弾性力によって結合する。

本発明による燃料電池モジュール（２）において、第一集電部材（２４）は第一孔群に属する複数の孔が設けられた金属板を含む。弾性力は、複数の孔（３６）において金属板が曲げ加工されることによって形成されたバネ（３８、４２、４４）によって与えられる。

本発明による燃料電池モジュール（２）において、第一集電部材（２４）の重量は、弾性力によって支持される。

本発明による燃料電池モジュール（２）において、第一集電部材（２４）は、積層された複数の金属メッシュを結合することによって形成される。

本発明による燃料電池モジュール（２）は、第二の孔群を有し、第一セル群（６）に属する複数のＳＯＦＣ（５）の第一電極群（１６）と反対の極性を有する第二電極群（１４）に属する複数の電極が第二の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することによって第二電極群（１４）に属する複数の電極を電気的に結合する第二集電部材（２２）を備える。

本発明による燃料電池モジュール（２）は更に、複数のＳＯＦＣ（５）を含む第二セル群（８）を備える。第一集電部材（２４）は、第二セル群（８）が備える第三電極群（１８）に属する複数の電極が第一の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することにより、第一電極群（１６）に属する複数の電極と第三電極群（１８）に属する複数の電極とを電気的に結合する。

本発明による燃料電池モジュール（２）は更に、第一セル群（６）と第二セル群（８）とを収納する筐体（４）と、第三の孔群を有し、第二セル群（８）に属する複数のＳＯＦＣ（５）の第三電極群（１８）と反対の極性を有する第四電極群（２０）に属する複数の電極が第三の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することによって第四電極群（２０）に属する複数の電極を電気的に結合する第三集電部材（２６）と、第二集電部材（２２）に電気的に接続され筐体の外部に設けられる第一端子（２８）と、第三集電部材（２６）に電気的に接続され筐体の外部に設けられる第二端子（３０）とを備える。

本発明によれば、配線作業の効率の向上を可能とする燃料電池モジュールが提供される。
更に本発明によれば、配線作業の効率が燃料電池セルの数に影響されない燃料電池モジュールが提供される。
更に本発明によれば、温度変化による影響の少ない配線構造を有する燃料電池モジュールが提供される。
更に本発明によれば、燃料電池セルの集積度の向上を可能とする燃料電池モジュールが提供される。
更に本発明によれば、集電線の束ね処理の困難を解決する燃料電池モジュールが提供される。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は燃料電池モジュールの構成を示す模式図である。燃料電池モジュール２は筐体４を備える。筐体２の内部の上端に近い側に支持部材１０が設置される。筐体２の内部の下端に近い側に支持部材１２が設置される。筐体４の内部は、支持部材１２よりも下方の燃料供給室１３と、支持部材１２と支持部材１０との間の発電室１１と、支持部材１０よりも上方の燃料排出室９とに区画される。

支持部材１０、１２により、複数の燃料電池５が筐体４の内部に支持される。複数の燃料電池５の各々はチューブ状のセルチューブであり、横縞円筒型ＳＯＦＣが好適に用いられる。複数の燃料電池５の各々は、上下方向を長手方向として、平行に並んで互いに側方に配列される。複数の燃料電池５の各々の下端は燃料供給室１３に配置され、その上端は燃料排出室９に配置される。これらの燃料電池５は概ね同じ長さを有するセルチューブであり、その上端は概ね同一の水平面上に位置し、その下端も概ね同一の水平面上に位置する。

複数の燃料電池５は、第一セル群６に属する複数の燃料電池と第二セル群８に属する複数の燃料電池に区分される。第一セル群６に属する燃料電池の各々は、燃料排出室９に配置される負極１４と、燃料供給室１３に配置される正極１６とを備える。第二セル群８に属する燃料電池の各々は、燃料排出室９に配置される正極２０と、燃料供給室１３に配置される負極１８とを備える。これら負極１４、正極１６、負極１８及び正極２０は、複数の単電池がセルチューブ上で直列接続された横縞円筒型ＳＯＦＣである燃料電池５の最端部（セルチューブ中で最も電位が高いまたは低い部位）の電極である。

第一セル群６の負極１４は、燃料排出室９に配置される導電性の上部集電部材２２によって並列接続される。上部集電部材２２は複数の孔が設けられた金属板であり、その複数の孔に第一セル群６に属する複数の燃料電池５のそれぞれの上端が挿入されることにより燃料電池５に取り付けられる。上部集電部材２２には導電部材の一端が接続される。その導電部材の他端は、筐体４の外部に設けられる負極端子２８に接続される。

第二セル群８の正極２０は、燃料排出室９に配置される導電性の上部集電部材２６によって並列接続される。上部集電部材２６は複数の孔を備えた金属板であり、その複数の孔に第二セル群８に属する複数の燃料電池５のそれぞれの上端が挿入されることにより燃料電池５に取り付けられる。上部集電部材２６には導電部材の一端が接続される。その導電部材の他端は、筐体４の外部に設けられる正極端子３０に接続される。

第一セル群６の正極１６と第二セル群８の負極１８とは燃料供給室１３に配置される下部集電部材２４によって電気的に接続される。すなわち、下部集電部材２４により、第一セル群６に属する燃料電池５と第二セル群８に属する燃料電池５とは直列接続される。下部集電部材２４は複数の孔が設けられた金属板であり、その複数の孔に第一セル群６に属する複数の燃料電池５と第二セル群８に属する燃料電池５のそれぞれの下端が挿入されることにより燃料電池５に取り付けられる。

こうした燃料電池モジュール４に、燃料供給室１３の側から燃料ガス３２が供給される。燃料ガス３２は燃料電池５のセルチューブの内部の燃料ガス通路を通って流れ、燃料排出室９から筐体４の外部に排出される。燃料供給室１３から供給される燃料ガス３２は、支持部材１２に妨げられて、発電室１１の内部の燃料電池１１の外部の領域には供給されない。発電室１１に空気３４が供給される。燃料電池５の内部に燃料ガス３２が供給され、その外部に空気３４が供給されることにより、燃料電池は電力を生成する。その電力は、負極端子２８と正極端子３０を介して燃料電池モジュール２の外部に取り出される。

図３は、下部集電部材２４の平面図を示す。燃料電池５は図３の紙面に垂直な方向に下部集電部材２４に挿入される。下部集電部材２４は金属製の薄板を加工することによって製造される。下部集電部材２４には、それぞれ一本の燃料電池５のセルチューブに対応する複数の孔加工部３６が設けられる。

図５は、孔加工部３６の拡大図を示す。図５（ａ）は３つの孔加工部３６を示す平面図であり、孔開け加工が施されて折り曲げ加工が施される前の状態を示す。図５（ｂ）は横に並んだ２つの孔加工部３６を示す側面図であり、折り曲げ加工が施された後の状態を示す。

孔加工部３６において、金属薄板には燃料電池５のセルチューブよりもやや大きい直径を有する円形の折り曲げ線３８が設定される。折り曲げ線３８の内側に、せん断加工などにより切断線４０に沿って所定形状の孔を開けられる。この切断線４０は、折り曲げ線と同心の所定半径の円（切断線外周円）の内側に、周方向に周期的に突起４４が配置された形状に設けられる。突起４４の根元の切断線外周円上に、折り曲げ線４２が設定される。

プレス加工により、折り曲げ線３８において金属薄板がその主表面に垂直な方向に押し出される。その押し出される方向を図５（ｂ）に合わせて下方とする。そのプレス加工により同時に、折り曲げ線４２において突起４４が上方且つ孔４６の内側に向けて折り曲げられる。複数の突起４４の先端は、所定半径の孔４６に沿って配置される。その孔４６の直径は、燃料電池５のセルチューブの外径よりもやや小さい。

複数の燃料電池５が支持部材１０、１２に固定され、それらの端部が概ね同一平面状に配列した状態で、下部集電部材２４がそれらの端部にかぶせられる。下部集電部材２４が図５（ｂ）の下方に押しつけられることにより、燃料電池５が孔４６に下方から嵌入する。この際、燃料電池５は突起４４を押し広げながら孔４６に嵌入する。折り曲げ線３８と折り曲げ線４２との間の金属と突起４４とは板ばねとして機能する。その板ばねの弾性力により、突起４４は燃料電池５の外壁に押し付けられる。その結果、突起４４と燃料電池５の外壁との間の摩擦により、下部集電部材２４は燃料電池５に支持される。

図４は、上部集電部材２２、２６を示す。上部集電部材２２、２６は燃料電池モジュール２に取り付けられたとき、上部集電部材２２と上部集電部材２６との間には隙間が出来る。上部集電部材２２と上部集電部材２６との両方を含む一つの輪郭線を描くと、概ね下部集電部材２４の輪郭線と等しい。

上部集電部材２２、２６も同様に燃料電池５に装着され、支持される。下部集電部材２４、上部集電部材２２、２６は軽く、孔４６における板ばねの弾性力（すなわち、その結果としての燃料電池５と突起４４との摩擦力）によって自重を支えることができる。そのため、筐体４に対して特に下部集電部材２４、上部集電部材２２、２６を支えるための構造は必要とされない。

このような集電部材によって多数の燃料電池の電極が結合されるため、配線作業の効率が非常に良い。セルチューブの本数が多くなっても、その本数に対応した集電部材を製造し、電極に接続する手間はほとんど変わらない。単位面積当たりのセルチューブの本数が多く隣接する燃料電池の間の距離が小さくても、その距離に対応した集電部材を作成してかぶせることによって容易に電極間を接続することができる。

更に、こうした配線構造によって、燃料電池５の使用温度での熱変形を考慮した設計が可能となる。集電部材の金属薄板とそこに挿入される燃料電池５の温度変化による相対変位は、次の式で表される。
δ_１＝（（α_Ａ−α_Ｂ）×ΔＴ×Ｄ_０）／２
ここで、α_Ａは集電部材の線膨張係数、α_Ｂは燃料電池５の線膨張係数、ΔＴは集電部材の環境の組立時（室温）と運転時（５００〜７００℃程度）との温度差、Ｄ_０は燃料電池５の外径である。
板爪部（図５（ｂ）の状態に加工されたときの突起４４）の面圧による押し込み変位は、次の式で表される。
δ_２＝（（２×σ）／（３×Ｅ×ｔ））×Ｌ_２
ここで、σは応力であり、板爪部による燃料電池５の締め付けの強さをどのように調節するかに対応する。Ｅは集電部材のヤング率、ｔは板爪の板厚であり本実施例では集電部材の板厚、Ｌは板爪の長さである。
セルに比べて集電部材の線膨張係数が大きい場合はδ１＜δ２という条件が満たされれば、運転中の高温時に板爪による燃料電池５の締め付けが無くならない。線膨張係数が反対の場合は、δ１＋必要初期締付け変位＜δ２となる板厚および爪長さが決定される。この条件から遡って、どのように集電部材を設計すればよいのかを決めることができる。

更に、集電部材は多数の孔によって燃料電池５に支持されているため、堅固な固定部材を用いなくても安定的に固定される。特に燃料電池５の本数が多いとき、個別に配線の安定性を配慮する必要がない。そのため、温度変化による影響の少ない配線構造が実現される。

図６は、集電部材の孔加工部３２の変形例を示す。図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面の側面図である。図５の例におけるプレス加工によって形成される板ばねに代えて、金属薄板を打ち抜いて形成された孔４７の縁から内側に向かって弾性力を加えることのできる導体性のぜんまいばね４８が設けられている。こうした構成の複数の孔４７に複数の燃料電池５をそれぞれ挿入することにより、複数の燃料電池５の電極が電気的に接続される。

図７は、金属薄板に代えて金属メッシュ積層体を用いて実現した集電部材の他の構成例を示す。図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は断面図である。金属メッシュ積層体５０は、ｘ方向の金属線維の層とｙ方向の金属線維の層が重なった金属のメッシュが積層され、セラミックによる焼結などの方法により一体化されたものである。こうした金属メッシュ積層体のシートに、図５の孔４６に相当する孔５４が、複数の燃料電池５の端部の位置に対応する位置に設けられる。孔５４の直径は、燃料電池５の直径よりもやや小さい。複数の燃料電池５が複数の孔５４にそれぞれ挿入されたとき、金属メッシュ積層体５０が孔５４において弾性変形する結果、金属メッシュの孔５４の内側に露出した部分が燃料電池５の電極と接触し、金属薄板の集電部材と同様に機能する。金属薄板に比べて自重を小さく抑えることが可能である。

図８は、集電部材の他の構成例を示す。シート状の母材５６が用いられる。この母材５６としては、石綿代替材として使用される耐熱性の高い材料でものが用いられる。この母材の中には、複数の金属箔５８が埋め込まれている。こうした集電部材の図５の孔４６に相当する位置に孔５４が設けられる。孔５４の直径は燃料電池５の直径よりもやや小さい。この孔５４に燃料電池５の端部を挿入することにより、金属箔５８の孔５４の内側に露出した部分が燃料電池５の電極と接触し、金属薄板の集電部材と同様に機能する。金属薄板に比べて自重を小さく抑えることが可能である。

図１は、従来の配線の一例を示す。図２は、燃料電池モジュールの構成を示す。図３は、下部集電部材を示す。図４は、上部集電部材を示す。図５は、集電部材が有する孔の構成を示す。図６は、集電部材が有する孔の構成を示す。図７は、集電部材の一例を示す。図８は、集電部材の一例を示す。

符号の説明

２…燃料電池モジュール
４…筐体
５…燃料電池
６…第一セル群
８…第二セル群
９…燃料排出室
１０…支持部材
１１…発電室
１２…支持部材
１３…燃料供給室
１４…負極
１６…正極
１８…負極
２０…正極
２２…上部集電部材
２４…下部集電部材
２６…上部集電部材
２８…負極端子
３０…正極端子
３２…燃料ガス
３４…空気
３６…孔加工部
３８…折り曲げ線
４０…切断線
４２…折り曲げ線
４４…突起
４６…孔
４７…孔
４８…ぜんまいばね
５０…金属メッシュ積層体
５４…孔
５６…母材
５８…金属箔
１００…セル
１０２…電極
１０３…電極
１０４…導電膜
１０８…白金線
１０９…配線

Claims

複数のＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）を含む第一セル群と、
前記第一セル群を筺体に支持する複数の支持部材と、
第一の孔群を有し、前記第一セル群に属する前記複数のＳＯＦＣが前記第一の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することにより前記第一セル群の第一電極群に属する複数の電極を電気的に結合する第一集電部材と、
第二の孔群を有し、前記第一セル群に属する複数のＳＯＦＣの前記第一電極群と反対の極性を有する第二電極群に属する複数の電極が前記第二の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することによって前記第二電極群に属する複数の電極を電気的に結合する第二集電部材
とを具備し、
前記第一集電部材は前記第一孔群に属する複数の孔が設けられた金属板であって、
前記第一電極群に属する複数の電極と前記第一集電部材とは、前記第一集電部材の弾性力によって結合し、
前記弾性力は、前記複数の孔において前記金属板が曲げ加工されることによって形成されたバネによって与えられる
燃料電池モジュール。
請求項１に記載された燃料電池モジュールであって、
前記第一集電部材の重量は、前記弾性力によって支持される
燃料電池モジュール。
請求項１又は２に記載された燃料電池モジュールであって、
更に、複数のＳＯＦＣを含む第二セル群
を具備し、
前記第一集電部材は、前記第二セル群が備える第三電極群に属する複数の電極が前記第一の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することにより、前記第一電極群に属する複数の電極と前記第三電極群に属する複数の電極とを電気的に結合する
燃料電池モジュール。
請求項３に記載された燃料電池モジュールであって、
前記第一セル群と前記第二セル群とは前記筺体に収納され
更に、第三の孔群を有し、前記第二セル群に属する複数のＳＯＦＣの前記第三電極群と反対の極性を有する第四電極群に属する複数の電極が前記第三の孔群に属する複数の孔にそれぞれ嵌入することによって前記第四電極群に属する複数の電極を電気的に結合する第三集電部材と、
前記第二集電部材に電気的に接続され前記筐体の外部に設けられる第一端子と、
前記第三集電部材に電気的に接続され前記筐体の外部に設けられる第二端子
とを具備する
燃料電池モジュール。
請求項１に記載された燃料電池モジュールであって、
前記第一集電部材が、前記第一セル群の一方の端部に設けられ、
前記第二集電部材が、前記第二セル群の他方の端部に設けられ、
前記複数の支持部材が、前記第一集電部材と前記第二集電部材に挟まれる領域に設置されている
燃料電池モジュール。