JP5110857B2 - セルスタック及び燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、複数の中空平板型燃料電池セルを集電部材により電気的に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関する。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セル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。

上記の燃料電池セルスタックは、隣り合う燃料電池セルを集電部材を介して電気的に複数個接続することにより得られるものである。このような集電部材としては、導電率の高い合金が採用され、さらに高温下で使用されることから、耐熱合金が好ましく採用されている。

そして、この集電部材の形状については、図６（ａ）に示すように矩形状板の右端部に複数のスリット８１を略平行に所定間隔をおいて形成し、図６（ｂ）に示すようにスリット８１間の平板状の集電片８２を板状集電部材の両側に交互に突出させ、基部８３の右側に複数の集電片８２が形成された横断面Ｕ字状の櫛刃形状とされたものや、図７に示すように、矩形状板に複数のスリットを略平行に形成し、その間の集電片９１を交互に板状集電部材の両側に突出させて形成された集電片群を、矩形状板の長さ方向に所定間隔をおいて形成して構成し、基部９２と集電片９１群を交互に形成したものが知られている（特許文献１、２参照）。

このような集電部材は、例えば、図８に示すように、中空平板型燃料電池セル９３間に収容され、燃料電池セル９３に集電部材の集電片８２を接合し、複数の燃料電池セル９３を電気的に接続して、セルスタックが構成されている。

燃料電池セル９３は、対向する面に平坦面を有しており、これらの平坦面は、酸素極層９３ａ、インターコネクタ９３ｂにより構成され、集電部材は、隣設する燃料電池セル９３間に収納され、集電部材の一方の集電片８２が一方の燃料電池セル９３の酸素極層９３ａと、集電部材の他方の集電片８２が他方の燃料電池セル９３のインターコネクタ９３ｂとに当接し、接合されている。
特開２００３−２８２１０１号公報 特開２００６−１７２７４２号公報

従来の図８に示すセルスタックでは、発電量を増加するため、酸素極層９３ａの形成面積を中空平板型燃料電池セル９３の平坦な固体電解質層になるべく広く形成しようとする傾向にあったが、集電部材の両端部が燃料電池セルの幅方向から外方に突出すると、何らかの原因で集電部材の幅方向端部が他の部材と接触して絶縁性が低下する危険性があるということで、集電部材の幅が燃料電池セル９３の幅よりも小さくされていた。

従って、集電部材の平板状の集電片８２は酸素極層９３ａの幅方向全面ではなく、酸素極層９３ａの一部しか接合することができず、集電部材により集電する際に、集電部材の集電片８２が接合された部分への電流集中が生じ、酸素極層９３ａにおいて、部分的な温度上昇が発生し、酸素極層材料の劣化が進行し、耐久性が劣化するという問題があった。

また、酸素極層９３ａと対向するインターコネクタ９３ｂとの間には、酸素極層９３ａに接合されていない基部８３が存在することになり、セル間の空気（酸素）の流れを阻害することになり、十分な酸素を酸素極層９３ａに供給できなくなり、発電効率が低いという問題があった。

本発明は、電流集中を抑制して耐久性を向上できるとともに、酸素極層に十分に酸素を供給できるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明のセルスタックは、複数の中空平板型燃料電池セルを、その平坦面同士が対向するように所定間隔をおいて配列し、隣り合う前記燃料電池セルの平坦面間に集電部材を配置し、該集電部材が、一方の前記燃料電池セルの平坦面を構成する酸素極層と、他方の前記燃料電池セルの平坦面を構成するインターコネクタとに接合し、前記複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックであって、前記集電部材が、前記燃料電池セルの幅方向に延びる複数の平板状の酸素極側集電片と、前記燃料電池セルの幅方向に延びる複数の平板状のインターコネクタ側集電片と、それぞれの集電片の両端部から他方の集電片に向けて傾斜して延びる傾斜部と、該傾斜部同士が連結される連結部とを具備して構成されるとともに、前記酸素極層および前記インターコネクタが、前記燃料電池セルの平坦面の幅方向全域に形成されており、かつ前記酸素極側集電片および前記インターコネクタ側集電片の両端部が、前記酸素極層および前記インターコネクタよりも外側に延設されて、前記酸素極層および前記インターコネクタの幅方向全域に接続されていることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、酸素極側集電片の両端部が酸素極層よりも外側に延設されているため、酸素極層の幅方向全域にわたって酸素極側集電片を接合することができ、集電部材と酸素極層との接合部の面積が増加するとともに、集電部材が酸素極層に接合していない未接合部から集電部材が酸素極層に接合している接合部までの距離を短縮することができ、酸素極層における横流れ電流の電流集中を緩和することができ、これにより、発電時の電流集中による耐久劣化を改善することができる。

また、集電部材の連結部は酸素極層よりも外側に形成されることになり、酸素含有ガスが酸素極層とインターコネクタとの間を通過しやすくなり、一方で、連結部、酸素極側集電片、インターコネクタ側集電片とで形成される空間に酸素含有ガスを留めておきやすくなり、酸素極層に酸素含有ガスを十分に供給することができ、発電性能を向上することができる。

また、酸素極層が、燃料電池セルの平坦な固体電解質層の幅方向全域に形成されていることから、発電する部分を増加でき、しかも上記したように酸素含有ガスを酸素極層に十分に供給できるため、発電量を増加できるとともに、このような酸素極層の幅方向全域にわたって集電部材の酸素極側集電片が接合するため、酸素極層における横流れ電流の電流集中を緩和できる。

さらに、本発明のセルスタックは、前記酸素極側集電片及び前記インターコネクタ側集電片の両端部がそれぞれ前記燃料電池セルよりも外側に延設されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、酸素極側集電片及びインターコネクタ側集電片の両端部がそれぞれ燃料電池セルよりも外側に延設され、酸素極側集電片とインターコネクタ側集電片との連結部が、燃料電池セルよりも外側に位置するため、酸素極側集電片及びインターコネクタ側集電片が燃料電池セルに接合していない距離を長くでき、集電部材の柔軟性を向上することができる。これによりセルの熱膨張による変形等を集電部材により吸収することができるため、接続信頼性に優れたセルスタックとすることができる。

さらに、本発明のセルスタックは、前記集電部材が、一枚の合金板に、複数のスリットが、前記合金板の中央部に所定間隔を置いて平行に形成され、隣り合うスリット間の合金片を交互に反対側に突出させて形成されていることを特徴とする。

このようなセルスタックでは、集電部材が、隣り合うスリット間の合金片を交互に反対側に突出させて、酸素極側集電片及びインターコネクタ側集電片を形成し、これらの酸素極側集電片とインターコネクタ側集電片との間を酸素含有ガス通路とでき、酸素極層に酸素を容易にかつ大量に供給できる。

本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、セルスタックにおける発電時の電流集中による耐久劣化を改善することができるとともに、酸素極層に十分に酸素を供給でき、これにより、燃料電池の耐久性を向上できるとともに、発電性能を向上できる。

本発明のセルスタックでは、集電部材と酸素極層との接合部の面積が増加するとともに、酸素極層における横流れ電流の電流集中を緩和することができ、これにより、発電時の電流集中による耐久劣化を改善することができる。また、酸素極層に酸素含有ガスを十分に供給することができ、発電性能を向上することができる。

本発明の燃料電池は、セルスタックにおける発電時の電流集中による耐久劣化を改善することができ、これにより、燃料電池の耐久性を向上できるとともに、酸素極層に十分に酸素を供給できため、燃料電池の発電性能を向上できる。

図１は、セルスタック装置の一形態を示すもので、セルスタック装置は、セルスタック２５をマニホールド２７に立設固定して構成されている。セルスタック２５は、長さ方向にガス流路を有する板状で棒状の固体電解質形燃料電池セル３０を複数配列して構成されている。

燃料電池セル３０は、断面が扁平状（中空平板型）であり、細長基板状とされており、その内部には複数のガス流路が長さ方向に貫通して形成されている。燃料電池セルについては後述する。

セルスタックは、燃料電池セル３０を、その平坦面同士が対向するようにしてセル厚み方向に所定間隔をおいて配列して構成され、隣り合う燃料電池セル３０の平坦面間には、燃料電池セル３０同士を直列に電気的に接続する集電部材３３が配置されている。集電部材３３は、一方の燃料電池セル３０の酸素極層に接合するとともに、他方の燃料電池セル３０のインターコネクタに接合している。

このセルスタックの下端部は、マニホールド２７の上面を形成する無機材料からなる天板２７ａに埋設固定されている。マニホールド２７には、このマニホールド内部にガスを供給するガス供給管３５が連結されている。

セルスタックの周囲は、図１（ｂ）に示すように、絶縁性断熱材３６により囲まれており、これにより、酸素含有ガスをセルスタック側に強制的に供給できるようになっている。また、絶縁性断熱材３６は集電部材３３を測方から押圧し、固定している。

本発明で用いられる燃料電池セル３０について説明する。燃料電池セル３０は、図２に示すように中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て棒状で細長基板状の多孔質支持基板（支持体）８１を備えている。支持基板８１の内部には、適当な間隔で６個の燃料ガス通路８１ａ（ガス流路を形成する）が長さ方向（軸長方向）に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板８１上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル３０の複数を、図１に示すように、一列に配列してセルスタックを形成することができる。

支持基板８１は、平坦面Ａと、平坦面Ａの両端の弧状部Ｂとからなっており、平坦面Ａは主面を構成する。両側の平坦面Ａは互いにほぼ平行に形成され、一方の平坦面Ａと両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層８２が設けられ、さらに、この燃料極層８２を覆うように、緻密質な固体電解質層８３が積層されており、この固体電解質層８３の上には、燃料極層８２と対面するように、一方の平坦面Ａに、平坦面Ａの幅と同一幅の酸素極層８４が積層されている。尚、酸素極層８４は、平坦面Ａの幅と同一幅に形成する必要は必ずしもないが、発電性能を向上するという点からは、平坦面Ａの幅全域にわたって形成することが望ましい。固体電解質層８３、酸素極層８４、インターコネクタ８５は、支持基板８１は、平坦面Ａの形状を反映し平坦状とされている。燃料極層８２及び固体電解質層８３は、一方の平坦面Ａに、ガス流路形成方向Ｇに連続して形成されている。

また、燃料極層８２及び固体電解質層８３が積層されていない他方側の支持基板８１の平坦面Ａには、インターコネクタ８５が形成されている。インターコネクタ８５も酸素極層８４と同様、平坦面Ａの幅と同一幅に形成されている。尚、インターコネクタ８５は、平坦面Ａの幅と同一幅に形成する必要は必ずしもないが、集電性能を向上するという点からは、酸素極層８４と対向するように平坦面Ａに形成することが望ましい。図２から明らかな通り、燃料極層８２及び固体電解質層８３は、インターコネクタ８５の両サイドにまで延びており、支持基板８１の表面が外部に露出しないように構成されている。

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層８２の酸素極層８４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層８４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板８１内のガス通路８１ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層８４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層８２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。

酸素極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極： Ｏ^２− （固体電解質）＋ Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
かかる発電によって生成した電流は、支持基板８１に取り付けられているインターコネクタ８５を介して集電される。

そして、本発明のセルスタックでは、図３に示すように、集電部材３３が、燃料電池セル３０の幅方向、言い換えれば、ガス流路形成方向Ｇと直交する方向に延びる複数の平板状の酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂと、これらの両端部が連結される連結部３３ｃ、３３ｄとを具備して構成されており、図３（ａ）（ｂ）に示すように、平坦な酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂが、燃料電池セル３０の平坦な酸素極層８４、インターコネクタ８５に、酸素極材料等の導電性材料を用いて接合している。酸素極側集電片３３ａの幅方向両端部は酸素極層８４の幅方向両端よりも外側に延設されている。

言い換えれば、集電部材３３は、図３（ｃ）に示すように、連結部３３ｃ、３３ｄと、燃料電池セルの平坦面とほぼ平行に形成された平板状の酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂとの間には、傾斜部３３ｅが形成されており、平板状の酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂの幅方向両端は、酸素極層８４の幅方向両端よりも外側に位置し、平板状の酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂの中央部が、燃料電池セル３０の平坦面（酸素極層８４、インターコネクタ８５）に接合し、両端部は燃料電池セル３０には接合していない。

このような集電部材３３は、図４に示すように、一枚の矩形板状の合金板４１に、複数のスリット４３を、合金板４１の中央部に、言い換えれば合金板４１の対向する両端部間の中央部に、かつセルの長さ方向に所定間隔を置いて平行に形成し、隣り合うスリット４３間の集電片３３ａ、３３ｂを交互に反対側に突出させて形成したユニット４５を、複数連結して構成されている。

これにより、酸素極側集電片３３ａとインターコネクタ側集電片３３ｂと連結部３３ｃ、３３ｄとの間を酸素含有ガス通路とでき、この酸素含有ガス通路内には何も存在しないため、酸素極層８４に酸素を容易にかつ大量に供給できる。

また、このようなセルスタックでは、酸素極側集電片３３ａの両端部が酸素極層８４よりも外側に延設されているため、酸素極層８４の幅方向全域にわたって酸素極側集電片３３ａを接合することができ、集電部材３３と酸素極層８４との接合部の面積が増加するとともに、酸素極側集電片３３ａが酸素極層８４に接合していない未接合部までの距離を短縮することができ、酸素極層８４における横流れ電流の電流集中を緩和することができ、これにより、発電時の電流集中による耐久劣化を改善することができる。

また、本発明のセルスタックでは、酸素極層８４が、燃料電池セル３０の平坦な固体電解質層８３の幅方向全域に形成されている。このようなセルスタックでは、発電する部分を増加できるため、発電量を向上することができるとともに、このような酸素極層８４の幅方向全域にわたって集電部材３３の酸素極側集電片３３ａが接合するため、酸素極層８４における横流れ電流の電流集中を緩和できる。

図５は、本発明の他の形態のセルスタックを示すもので、平坦な酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂの両端部がそれぞれ燃料電池セル３０よりも外側に延設されている。このようなセルスタックでは、酸素極側集電片３３ａ、インターコネクタ側集電片３３ｂ、連結部３３ｃ、３３ｄとで形成される酸素含有ガスの供給路を大きくすることができ、発電時に十分な酸素を酸素極層８４の周囲に供給することが可能となり、発電効率を向上することが可能となる。

また、酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂの幅方向両端部がそれぞれ燃料電池セル３０よりも外側に延設され、酸素極側集電片３３ａとインターコネクタ側集電片３３ｂとの連結部３３ｃ、３３ｄが、燃料電池セル３３よりも外側に位置するため、酸素極側集電片３３ａ及びインターコネクタ側集電片３３ｂが燃料電池セル３０に接合していない距離を長くでき、集電部材３３の柔軟性を向上することができる。これによりセルの熱膨張による変形等を吸収することができるため、接続信頼性に優れたセルスタックとすることができる。

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、上記形態では、支持基板８１上に燃料極層８２を設けた形態について説明したが、支持基板８１を設けずに燃料極層自体を支持体とした燃料電池セルでも、上記形態と同様の効果を得ることができる。また、上記形態では、図３（ｃ）に示すような集電部材３３を用いた場合について説明したが、本発明では、図３（ｃ）に示すような集電部材に限定されない。

さらに、上記形態では、インターコネクタ８５にインターコネクタ側集電片３３ｂを接合した場合について説明したが、例えば酸素極材料からなるＰ型半導体層をインターコネクタに設け、このＰ型半導体層にインターコネクタ側集電片を接合する場合であっても、上記形態と同様の効果を得ることができる。

本発明のセルスタックの一実施形態を示すもので、（ａ）マニホールドにセルスタックが立設している状態を示す断面図、（ｂ）は、（ａ）を測方から見た側面図である。 燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。 （ａ）は本発明のセルスタックの平面図、（ｂ）は酸素極側集電片が酸素極層に接合している状態を示す側面図、（ｃ）は集電部材の斜視図である。 集電部材を作製するための合金板を示す平面図である。 酸素極側集電片及びインターコネクタ側集電片の幅方向両端が、燃料電池セルの幅よりも外側に位置している状態を示す平面図である。 従来の集電部材の一例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 従来の集電部材の他の例を示す斜視図である。 燃料電池セル間に、図６の集電部材が介装されている状態を示す平面図である。

符号の説明

３０・・・燃料電池セル
３３・・・集電部材
３３ａ・・・酸素極側集電片
３３ｂ・・・インターコネクタ側集電片
３３ｃ、３３ｄ・・・連結部
４１・・・合金板
４３・・・スリット
８４・・・酸素極層
８５・・・インターコネクタ
Ａ・・・平坦面

Claims (5)

1. 複数の中空平板型燃料電池セルを、その平坦面同士が対向するように所定間隔をおいて配列し、隣り合う前記燃料電池セルの平坦面間に集電部材を配置し、該集電部材が、一方の前記燃料電池セルの平坦面を構成する酸素極層と、他方の前記燃料電池セルの平坦面を構成するインターコネクタとに接合し、前記複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックであって、前記集電部材が、前記燃料電池セルの幅方向に延びる複数の平板状の酸素極側集電片と、前記燃料電池セルの幅方向に延びる複数の平板状のインターコネクタ側集電片と、それぞれの集電片の両端部から他方の集電片に向けて傾斜して延びる傾斜部と、該傾斜部同士が連結される連結部とを具備して構成されるとともに、
   前記酸素極層および前記インターコネクタが、前記燃料電池セルの平坦面の幅方向全域に形成されており、かつ前記酸素極側集電片および前記インターコネクタ側集電片の両端部が、前記酸素極層および前記インターコネクタよりも外側に延設されて、前記酸素極層および前記インターコネクタの幅方向全域に接続されていることを特徴とするセルスタック。
2. 前記酸素側集電片及び前記インターコネクタ側集電片の両端部がそれぞれ前記燃料電池セルよりも外側に延設されていることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
3. 前記集電部材が、一枚の合金板に、複数のスリットが、前記合金板の中央部に所定間隔を置いて平行に形成され、隣り合うスリット間の合金片を交互に反対側に突出させて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセルスタック。
4. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセルスタックを収納容器内に収納してなること
   を特徴とする燃料電池。
5. 前記セルスタックの周囲に絶縁性断熱材が配置されており、該絶縁性断熱材が前記集電部材を側方から押圧して固定していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。

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