JP5155362B2 - 集電部材、燃料電池セルスタック及び燃料電池 - Google Patents
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Description
燃料電池セルを直列に接続するには、1つの燃料電池セルのインターコネクタと、隣接する燃料電池セルの外側電極とを電気的に接続する必要があり、この接続のため「集電部材」という電極が用いられる。
この集電部材は、燃料電池セルの形状に合わせた細長い形状を有し、燃料ガスマニホールドに固定された複数の燃料電池セルの間に配置される。
そこで、本発明は、燃料電池セルの外側電極に空気の十分な量を供給できるとともに、電流の流れを妨げない形状の集電部材、その集電部材を用いた燃料電池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。
前記複数の燃料電池セルを具備し、隣接する燃料電池セルの間に、前記集電部材が配置された燃料電池セルスタックを単独で又は複数集合して組み立て、発電ユニット集合体で発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電電極を取り付けて、ハウジング内に収容してなる本発明の燃料電池が構成される。
図1は、燃料電池に使用される発電ユニット集合体1a〜1dを示す斜面図である。
発電ユニット集合体1a〜1dは、一方向(図1において紙面左右の方向)に細長く延びる直方体形状の燃料ガスマニホールド2a〜2dを具備している。
燃料電池セル3の各々は、図2に断面を示すように、導電性支持体5の表面に、内側電極である燃料極6、固体電解質7、外側電極である空気極8を積層したものである。
前記燃料ガスマニホールド2a〜2dの上壁には短手方向に延びる複数個のスリットが形成されており、導電性支持体5の各々に形成されている燃料ガス通路12がスリットを介して燃料ガスマニホールド2a〜2dの燃料ガス室に連通している。
図2に示すように、燃料極6は導電性支持体5の片面及び両側面を覆う部分に配設されており、その両端はインターコネクタ10に接合している。固体電解質7は燃料極6の全体を覆うように配設されている。空気極8は、導電性支持体5の表面において固体電解質7を覆うよう配置されている。
この集電部材9は、燃料電池セルスタック4a〜4dの両端、すなわち図2において上端及び下端に位置する燃料電池セル3の片面及び他面にも配設されている。燃料電池セルスタック4a〜4dの両端に位置する集電部材9には、燃料電池セルスタック4a〜4dから発電電気を取り出すための導電電極11が接続されており、かかる導電部材により、燃料電池セルスタック4a〜4dは相互に直列接続される。
導電性支持体5は燃料ガスを燃料極6まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ10を介して集電するために導電性であることが要求される。かかる要求を満足するために多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)が用いられる。
燃料極6は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称される)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
空気極8は所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックにより形成することができる。空気極8はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
図3は、発電ユニット集合体1a〜1dをハウジング内に収容した状態を示す側断面図である。断面は、図2のBーBで切っている。
このハウジング20内には発電・燃焼室25が規定されている。
ハウジング20内の比較的上部には空気室(ガス室)31が配設されている。空気室31は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース32内に規定されている。
空気室31の下面には、発電・燃焼室25に向かって空気(酸素含有ガス)を送り込むための空気導入管(ガス供給手段)33が連通している。空気導入管33は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。空気導入管33は燃料電池セルスタック4a〜4d間に配置されており、その下端部は燃料電池セル3の比較的下部まで伸びて開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管33はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。
一方、発電ユニット1a〜1dの上部には、改質ケース13a〜13dが設けられている。改質ケース13a〜13dは、図1に示すように、燃料電池セルスタック4a〜4dの上方を細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)の管である。
被改質ガス供給管82aは都市ガス等の炭化水素ガスなどの被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給管82aを介して改質ケース13aに被改質ガスが供給される。改質ケース13a内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。
被改質ガス供給管、燃料ガス送給管の配置に関しては、発電ユニット1cは上述した発電ユニット1aと実質上同一であり、発電ユニット1b及び1dは、発電ユニット1a及び1cに対して前後方向が逆に配置されているところが異なっている。すなわち、改質ケース13b及び13dと燃料ガスマニホールド2b及び2dとを接続する燃料ガス送給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給管82b及び82dが改質ケースから下方に延び、ハウジング20の下を通ってハウジング20外に延出している。
次いで燃料電池セルスタック4a、4b、4c及び4dを構成する各燃料電池セル3に供給される。
1/2O2+2e-→O2-(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2-(固体電解質)+H2→H2O+2e-
の電極反応が生成されて、発電される。
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器34の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、二重筒体50から導入された空気が熱交換器34の流入路をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。
図4は、セル間接続構造を説明するための断面図である。
図6は、集電部材9を、隣接する燃料電池セル3の間に2枚配置した状態を示す正面図(a)と底面図(b)である。この配置において2枚の集電部材9の板片の伸びる方向zを燃料電池セル3の長手方向に合わせている。2枚の集電部材9における、板片の伸びる方向zを基準にした、切れ目が形成されている角度θ1,θ2は、図6(a)に示すように、互いに逆方向になっている。そして、背板片91から集電片92の外側電極の接触する曲げ部に向かって、集電片92が上昇していくような角度の設定になっている。
この実施形態では、集電部材9に、弾力性を有する板片に複数の切れ目をほぼ平行につけて集電片92を作り、集電片92を1つおきに板片の片面側に突出させている。切れ目の向きは板片の伸びる方向zに直角でもよく、直角でなくてもよい。
図10は、この集電部材9を、隣接する燃料電池セル3の間に配置した状態を示す平面図である。板片の片面側に突出している集電片を92a、突出していない集電片を92bで表している。集電部材9は、隣接する燃料電池セル3の間に、集電片92どうしを向き合わせた状態で、2枚配置している。そして、板片の片面側に突出している集電片を92aを空気極8に接触させ、板片から突出していない集電片92bは、他のセルのインターコネクタ10に接触させている。
また、この集電部材9において、集電片92a,集電片92bを形成するときの切れ込みを、板片の伸びる方向から斜めの角度に形成してもよい。この集電部材9を図6から図9のように配置して使用すれば、本実施形態の前述した効果に加えて、図6から図9を用いて説明したような集電片92a,集電片92bによる空気の整流効果が得られる。したがって、これらの相乗的効果によって、空気極8にさらに多量に空気を供給でき、燃料電池セルの出力をさらに大きく増やすことができる。
この実施形態では、2種類の集電部材9が、隣接する燃料電池セル3の間に配置される。1つの種類は、図10に示したように、弾力性を有する板片に複数の切れ目をほぼ平行につけて集電片92を作り、集電片92を1つおきに板片の片面側に突出させていたものである。これを第一の集電部材9Aという。他の種類は、弾力性を有する板片に複数の切れ目をほぼ平行につけて集電片92を作り、集電片92を板片の表面側及び裏面側に交互に突出させたものである。これを第二の集電部材9Bという。
図12は、第一、第二の集電部材9A,9Bを、隣接する燃料電池セル3の間に配置した状態を示す平面図である。図11との相違は、第二の集電部材9Bの背板片91を一方向に折り曲げ、背板片91が折り曲げられている側をインターコネクタ10に当接させて配置したことである。
2a〜2d 燃料ガスマニホールド
3 燃料電池セル
4a〜4d 燃料電池セルスタック
5 導電性支持体
6 燃料極
7 固体電解質
8 空気極
9,9A,9B 集電部材
10 インターコネクタ
91 背板片
92,92a,92b 集電片
Claims (6)
- 内側電極の上に固体電解質及び外側電極が形成され、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない部位の表面に前記内側電極とつながるインターコネクタが形成された燃料電池セルの複数を、電気的に接続するために用いられる集電部材であって、
細長い板片から構成され、この板片に互いに平行な複数の切れ目を形成してそれぞれを集電片とし、当該集電片を1つおきに前記板片の片面側に突出させてなり、前記複数の切れ目が、前記板片の伸びる方向から斜めの角度に形成されていることを特徴とする集電部材。 - 複数の燃料電池セルを具備し、隣接する当該燃料電池セルの間に、請求項1記載の集電部材が配置されていることを特徴とする燃料電池セルスタック。
- 前記集電部材は、隣接する前記燃料電池セルの間に配置された状態で、前記板片の片面側に突出している前記集電片が1つの前記燃料電池セルの前記外側電極に、前記板片から突出していない前記集電片が他の前記燃料電池セルの前記インターコネクタに接触している請求項2記載の燃料電池セルスタック。
- 隣接する前記燃料電池セルの間に、前記集電部材が2枚配置されている請求項2又は請求項3記載の燃料電池セルスタック。
- 前記2枚の集電部材は、前記集電片どうしが向き合っているか、又は背を向けている請求項4記載の燃料電池セルスタック。
- 請求項2から請求項5のいずれかに記載の燃料電池セルスタックを、単独で又は複数集合して組み立てた発電ユニット集合体に、当該発電ユニット集合体で発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材を取り付けて、ハウジング内に収容してなることを特徴とする燃料電池。
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