JP6022959B2 - 燃料電池セルスタック装置および燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルスタックを含む燃料電池セルスタック装置および燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルの複数個を配列し、それぞれの燃料電池セルを電気的に接続してなる燃料電池セルスタック（装置）を収納容器に収納してなる燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。

かかる燃料電池装置においては、例えば、特許文献２のように、燃料電池セルスタックの両端の外側に、燃料電池セルスタックにて発生した電気を外部に取り出すための弾性変形可能な受電板を配設する。そして、その外側に、燃料電池セルスタックと受電板とを機械的な衝撃から保護するための剛性の高い断熱材支持部材（保護カバー）を配置した燃料電池セルスタック装置が提案されている。特許文献２の保護カバーは、燃料電池セルスタックの幅とほぼ同じ幅でスタックの幅方向に設けられた最も広い第一面のみからなる形状が開示され、さらに、燃料電池セルスタックの幅とほぼ同じ幅でスタックの幅方向に設けられた最も広い第一面と、第一面の両端部それぞれに続いてスタック側に向かうとともに第一面と垂直な向きに設けられた第二面、第三面とからなる断面が凹形状の保護カバーが開示されている。

特開２００７−５９３７７号公報 国際公開第２００９／０４１５３２号パンフレット

上記特許文献２の保護カバーの形状のうち、燃料電池セルスタックの幅とほぼ同じ幅でスタックの幅方向に設けられた最も広い第一面のみからなる一枚板の形状では、保護カバーの強度が低くて変形しやすく、外部からの力によって保護カバーが受電板および燃料電池セルスタック側に倒れて、燃料電池セルスタックに接触してしまうおそれがあった。

また、燃料電池装置においては小型化が求められている。そのために、燃料電池セルスタックと保護カバーとの隙間はできるだけ狭く設定される。一方、製造上のばらつきによって、燃料電池セルスタックの長さには多少のばらつきがある。特許文献２の保護カバーのうち、燃料電池セルスタックの幅方向の第一面と、この両端部から第一面に垂直な燃料電池セルスタックの配列方向の第二面および第三面を有する形状では、燃料電池セルスタックの長さのばらつきを考慮して、燃料電池セルスタックと保護カバーとの隙間をさほど狭くできなかった。

本発明の目的は、燃料電池セルスタックと保護カバーとの隙間を短くでき、燃料電池セルスタックの長さのばらつきがあっても、燃料電池セルスタックに接触しないように保護カバーの形状を微調整できて小型化が可能な燃料電池セルスタック装置、およびこの燃料電池セルスタック装置を収納してなる燃料電池装置を提供することである。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、燃料電池セルが複数個立設して配列しているとともに、隣接する前記燃料電池セル間が集電部材により電気的に接続されている燃料電池セルスタックと、複数個の前記燃料電池セルの下端をそれぞれ固定しているとともに、該燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、前記燃料電池セルスタックの両端に位置する前記燃料電池セルの外側に電気的に接続された一対の端部集電部材と、該端部集電部材の外側に位置して前記端部集電部材と接触する一対の受電板と、該一対の受電板それぞれの外側に存在する一対の保護カバーと、を具備し、該保護カバーは、前記燃料電池セルスタックの幅方向の一方の終端を前記燃料電池セルスタックの配列方向の外側から覆うように幅方向から配列方向に亘るＬ字状の第１部位と、前記燃料電池セルスタックの幅方向の他方の終端を前記燃料電池セルスタックの配列方向の反対の外側から覆うように幅方向から配列方向に亘るＬ字状の第２部位との独立した２つの部位を備え、前記第１部位および前記第２部位は、前記Ｌ字状の長さ部の下端が前記受電板に接合されているものである。

また、本発明の燃料電池装置は、上記燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納したものである。

燃料電池セルスタックの長さのばらつきがあっても、燃料電池セルスタックに接触しないように保護カバーの形状を微調整できるので、燃料電池セルスタックと保護カバーとの隙間を短くでき、燃料電池セルスタック装置の小型化が可能となる。

（ａ）燃料電池セルスタック装置を概略的に示す燃料電池セルスタックの配列方向から見た側面図、（ｂ）（ａ）の点線枠で囲った部分の一部拡大上面図である。 図１の燃料電池セルスタック装置の（ａ）平面図、（ｂ）燃料電池セルスタック装置を配列方向とは垂直の幅方向から見た側面図である。 図１、２の燃料電池セルスタック装置に用いられる（ａ）受電板および保護カバーの一例を示す斜視図、（ｂ）（ａ）の受電板および保護カバーを組み立てる前の状態を示す平面図である。 （ａ）受電板および保護カバーの他の一例を示す斜視図、（ｂ）（ａ）の受電板および保護カバーを組み立てる前の状態を示す平面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する（ａ）集電部材、（ｂ）端部集電部材の一例を示す斜視図である。

（燃料電池セルスタック装置）
図１は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セルスタック装置１を概略的に示す燃料電池セルスタックの配列方向から見た側面
図、（ｂ）は（ａ）の点線枠で囲った部分についての一部拡大上面図である。図２は図１の燃料電池セルスタック装置における、（ａ）平面図、（ｂ）燃料電池セルスタック装置１を前記配列方向とは垂直の幅方向から見た側面図であり、図２では燃料電池セルスタックを２つ組み込んだ構造を例示している。

燃料電池セルスタック装置１（以下、スタック装置１と略することがある。）は、図１（ａ）に示すように、燃料電池セル３（以下、セル３と略することがある。）の複数個が立設して配列しているとともに、隣接するセル３間に集電部材４ａを介して電気的に直列に接続した燃料電池セルスタック２（以下、スタック２と略することがある。）を有している。すなわち、隣接するセル３間に集電部材４ａが挟まれている。また、セル３の下端は、セル３に反応ガス（燃料ガス等）を供給するマニホールド２０に差し込まれて封止材２６で接着されることによって固定されており、固定されたセル３の封止材２６で接着さ
れた部分はセル３の内部以外が気密に封止されている。

また、スタック２の配列方向の外側は、最も外側に位置するセル３ａに端部集電部材４ｂが接着されており、この端部集電部材４ｂの外側には、端部集電部材４ｂに接着して電気的に接続された受電板５が存在する。また、受電板５の下側はマニホールド２０内に差し込まれて封止材２６で接着されることによって固定されている。

なお、図２によれば、スタック装置１は、セル３の配列方向を互いに平行に、かつスタック装置１の同じ側の端で電流極性が逆となるようにスタック２が２つ並置されているとともに、スタック装置１の同じ側の端に配置される電流引き出し部７同士のうちのどちらか片方を導電性の連結部材２３により連結されてなる。そして、導電性の連結部材２３をネジ２４で螺着して連結することで、２つのスタック２を電気的に直列に接続している。また、マニホールド２０を、内部に空洞を有する部材（台座）４５に連結することにより、１つの反応ガス供給管よりスタック装置１のマニホールド２０に反応ガス（燃料ガス）を供給することができる。

（燃料電池セル）
ここで、セル３は、図１（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板１２（以下、支持基板１２と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層８、固体電解質層９及び空気側電極層１０を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１１が設けられており、支持基板１２の内部には、燃料電池セル３に燃料ガスを流すためのガス流路１３が設けられている。さらに、インターコネクタ１１の外面（上面）にはＰ型半導体層１４が設けられている。Ｐ型半導体層１４を介して、集電部材４ａをインターコネクタ１１に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。また、支持基板１２は燃料側電極層８を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層９および空気側電極層１０を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。

なお、本発明において、セル３は各種燃料電池セルが知られているが、発電効率のよい燃料電池セルとする上で、上記構成からなる固体酸化物形燃料電池セルが好適に採用できる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

燃料側電極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層９は、燃料側電極層８、空気側電極層１０間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気側電極層１０は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。空気側電極層１０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。

支持基板１２としては、燃料ガスを燃料側電極層８まで透過するためにガス透過性であ
ること、さらには、インターコネクタ１１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。したがって、支持基板１２としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。セル３を作製するにあたり、燃料側電極層８または固体電解質層９との同時焼成により支持基板１２を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板１２を形成することが好ましい。また、図１に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持基板１２は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板１２は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板１２の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１１は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１１は支持基板１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および支持基板１２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

（保護カバー）
受電板５の外側には図１−４に示す保護カバー６があり、スタック２の周囲に置かれる断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、受電板５およびスタック２を保護する。本実施態様によれば、図２（ａ）に示すように、保護カバー６は、スタック２の幅Ｗ方向の一方の終端Ｘをスタック２の配列方向の外側から覆い、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、幅Ｗ方向から配列Ａ方向に亘る幅部１７と長さ部１８とを備えたＬ字状からなる第１部位６ａと、スタック２の幅Ｗ方向の他方の終端Ｙを覆い、同様のＬ字状からなる第２部位６ｂとの独立した２つの部位を備えている。これによって、スタック２の長さに製造上のばらつきがあっても、スタック２に接触しないように保護カバー６の形状を微調整できる。すなわち、第１部位６ａおよび第２部位６ｂはＬ字状からなるが、その配置はスタック２の長さに応じてスタック２の幅Ｗ方向および配列Ａ方向から多少ずれた角度で配置される場合がある。このようなばらつきがあっても、スタック２と保護カバー６との隙間を短くでき、スタック装置１の小型化が可能となる。なお、図２の一方の終端Ｘと他方の終端Ｙとは入れ替わっていてもよい。

図３、４に、図１、２の燃料電池セルスタック装置に用いられる（ａ）受電板および保護カバーの一例および他の一例を示す斜視図、（ｂ）（ａ）の受電板および保護カバーを組み立てる前の状態を示す平面図を示す。

本実施態様によれば、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、保護カバー６と受電板５とが一枚の金属板を折り曲げて形成されたものであり、溶接が不要となるので、製造コストが低減できるとともに高温での使用時においても溶接部から劣化が進行することを抑制することができる。

ここで、保護カバー６は、図３（ｂ）に示す保護カバー６（６ａ、６ｂ）のように、一枚の金属板からなり、１層で構成されるものであってもよいが、図４（ｂ）に示す保護カバー６’（６ｃ、６ｄ）ように、折り返し幅部１７ｔと折り返し長さ部１８ｔとを設けて、折り返し幅部１７ｔと折り返し長さ部１８ｔとを折り返した多層で構成されていてもよい。これによって、保護カバー６の機械的強度を高めることができる。

なお、図３（ａ）では、第１部位６ａおよび第２部位６ｂの間は、理解しやすいように、便宜上、幅方向に隙間が存在しているように記載しているが、第１部位６ａと第２部位６ｂとの間には隙間が存在せず接触していることが望ましい。また、第１部位６ａおよび第２部位６ｂの間の幅方向に隙間が存在している場合には、空気の漏れによってスタック２の温度が低下して発電効率が低下することを抑制するために、保護カバー６と受電板５とで囲まれる空間には断熱材（図示せず）が充填されることが望ましい。さらに、第１部位６ａおよび第２部位６ｂの終端同士は折り重なっていてもよい。

また、図４（ｂ）に点線で示すように、保護カバー６は第１部位６ｃおよび第２部位６ｄの略Ｌ字状の部分の上部に折り曲げ部６ｔを設けて、組み立て時に折り曲げ部６ｔを直角に折り曲げ、これを第１部位６ｃおよび第２部位６ｄの略Ｌ字状の部分の蓋とすることもできる。なお、図４（ａ）では、折り曲げ部６ｔの記載を省略している。

（受電板）
図３（ａ）に示す受電板５は、端部集電部材４ｂと電気的に接続される平板状の受電部１５と、マニホールド２０に埋設して固定される固定部１６とからなる。本実施態様によれば、受電部１５は弾性変形可能な薄さであり、端部集電部材４ｂと広い面積で接触できるので、セル３の発電により生じる電流を効率よく集電することができる。つまり、セル３は製造時に大気中で焼成した後、予め還元処理を施す処理を行うが、セル３の側面に存在するインターコネクタ１１と導電性支持基板１２や空気側電極層１０等との還元による膨張差により、これらの変形量に差が生じ、セル３に反り等の変形が生じる場合がある。しかしながら、受電部１５が弾性変形可能な厚みであるために、燃料電池セル３の変形に追従して受電部１５が変形する。一方、固定部１６は受電板５の立設する土台になる部分であり、受電部１５と同じ厚みでもよいが、図４（ｂ）に点線で示すように、一枚の金属板に折り返し固定部１６ｔを設けて、折り返し固定部１６ｔを折り返して固定部１６を多層構造とすることもできる。これによって、容易に変形しない厚みに調整が可能である。なお、図４（ａ）では、折り返し固定部１６ｔの記載を省略している。本実施態様では、受電部１５の厚みは０．２５〜１．５ｍｍである。

ここで、受電部１５は弾性変形可能な部材であればよく、板状に限定されるものではなく、棒状またはメッシュ状であってもよい。また、受電部１５は燃料電池セル３の発電により生じる電流を集電するために導電性であることが必要であり、例えば、ステンレス等にて形成することができ、必要に応じて耐熱性の皮膜を形成したものを利用することもできる。さらに、受電部１５の長さは、スタック２の端部に位置するセル３ａが変形しても保護カバー６に接触することを抑制するとともに、セル３の発電により生じた電流を効率よく集電するために、マニホールド２０に固定された状態で、セル３の電極の上端部と同じ高さ、もしくはそれ以上の高さとなるようにするのが好ましい。さらに、受電部１５の幅は、セル３の幅と同じ幅、もしくはそれ以上の幅とするのが好ましい。

また、本実施態様では、受電板５の下方に、受電板５の上方よりも幅が狭くなる幅狭部５ａを備えている。これによって、受電板５の上方は多少厚くても変形しやすくなる。

さらに、本実施態様によれば、受電板５の下端はマニホールド２０に固定されていると
ともに、保護カバー６の下端はマニホールド２０の上部から離間した位置にある。これによって、図２（ａ）に示すように、平面視で距離が近いマニホールド２０の縁部の金属と保護カバー６とが接触して漏電することを防止でき、縁部のサイズを小さくして、スタック装置１の小型化が可能となる。

また、本実施態様によれば、図３、４に示すように、受電板５からセル３の配列方向に沿って外側に向けて延びる電流引き出し部７が設けられている。これによって、受電板５で蓄積したスタック２の電気ロスを小さくした状態でスタック装置１の外部に引き出すことができる。電流引き出し部７は金属板１層で構成されていてもよいが、図４（ｂ）に点線で記載するように、折り返し電流引き出し部７ｔを設けて、折り返し電流引き出し部７ｔを折り返して電流引き出し部７を多層とすることもできる。これによれば、電流引き出し部７の機械的強度を高めることができる。さらに、多層間にて電気的接触を確保することで電気抵抗を低減させることができ、発電効率向上することができる。なお、図４（ａ）では、折り返し電流引き出し部７ｔの記載を省略している。

また、固定部１６の下端におけるマニホールド２０の外縁に近い角部は、マニホールド２０の外縁との間隔が広くなるようにテーパ部１６ａを有していてもよい。これによって、マニホールド２０の外縁と固定部１６との間隔が狭いところがなくなるので、この間隔に封止材２６が充填された場合、封止材２６の良好な封止状態が維持される。なお、図４ではテーパ部１６ａが形成されない構成を例示している。

（集電部材）
そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂは、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

図５は、（ａ）集電部材４ａ、（ｂ）端部集電部材４ｂの一例を示したものである。図５（ａ）に示した集電部材４ａは、セル３の長手方向に沿った一対の接続部３１と、一対の接続部３１間を連結するように設けられた隣接するセル３と接触するための板状をした複数の接触部３２とを有する形状からなる。

本実施態様では、端部集電部材４ｂは、セル３の変形に対する追従性を更に向上させるために、図５（ｂ）に示すように、隣接するスタック２の最外に位置するセル３（最外セルと称す場合がある。）の平坦面に当接する第１導電体片３３と、最外セル３の一方の端部からセルスタック支持部材５の他方の端部へと傾斜して延びる第２導電体片３４と、セルスタック支持部材５の平坦面に当接する第３導電体片３５と、セルスタック支持部材５の一方の端部から最外セル３の他方の端部へと傾斜して延びる第４導電体片３６とを基本要素として具備する。第１〜第４の導電体片はこの順序で端部同士を次々に連結されており、さらにこの順序で繰り返し導電体片が連結されることにより、軸方向に延在する一繋がりの形状であることが望ましい。なお、端部集電部材４ｂは、集電部材４ａと同じ形状とすることもできる。このような集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂは、燃料電池セル３の変形に対して良好な追従性を有する。

マニホールド２０の形状は、セル３が立設する側の表面に開口部を有する形状や、各セル３や受電板５が立設されるそれぞれの位置に対応した複数の挿入孔等を有する天板部を具備する形状等が挙げられる。

（燃料電池装置）
さらに、上述したスタック装置１を、収納容器内に収納した燃料電池装置においても、セル３が変形してもスタック２の端部に位置するセル３ａまたはこれに接着されている端
部集電部材４ｂや受電板５が保護カバー６に接触して破損を抑制することができ、長期信頼性が向上した燃料電池装置となる。

１ 燃料電池セルスタック装置（スタック装置）
２ 燃料電池セルスタック（スタック）
３ 燃料電池セル（セル）
４ａ 集電部材
４ｂ 端部集電部材
５ 受電板
５ａ 幅狭部
６、６’ 保護カバー
６ａ、６ｃ 第１部位
６ｂ、６ｄ 第２部位
７ 電流引き出し部
８ 燃料側電極層
９ 固体電解質層
１０ 空気側電極層
１１ インターコネクタ
１２ 導電性支持基板（支持基板）
１３ ガス流路
１４ Ｐ型半導体層
１５ 受電部
１６ 固定部
１６ａ テーパ部
１７ 幅部
１８ 長さ部
２０ マニホールド
３３ 第１導電体片
３４ 第２導電体片
３５ 第３導電体片
３６ 第４導電体片
４５ 台座

Claims (7)

1. 燃料電池セルが複数個立設して配列しているとともに、隣接する前記燃料電池セル間が集電部材により電気的に接続されている燃料電池セルスタックと、
   複数個の前記燃料電池セルの下端をそれぞれ固定しているとともに、該燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、
   前記燃料電池セルスタックの両端に位置する前記燃料電池セルの外側に電気的に接続された一対の端部集電部材と、該端部集電部材の外側に位置して前記端部集電部材と接触する一対の受電板と、
   該一対の受電板それぞれの外側に存在する一対の保護カバーと、
   を具備し、
   該保護カバーは、前記燃料電池セルスタックの幅方向の一方の終端を前記燃料電池セルスタックの配列方向の外側から覆うように幅方向から配列方向に亘るＬ字状の第１部位と、前記燃料電池セルスタックの幅方向の他方の終端を前記燃料電池セルスタックの配列方向の反対の外側から覆うように幅方向から配列方向に亘るＬ字状の第２部位との独立した２つの部位を備え、
   前記第１部位および前記第２部位は、前記Ｌ字状の長さ部の下端が前記受電板に接合されている燃料電池セルスタック装置。
2. 前記保護カバーと前記受電板とが一枚の金属板を折り曲げて形成されたものである請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
3. 前記受電板の下方が前記受電板の上方よりも幅が狭い幅狭部とされている請求項１または２に記載の燃料電池セルスタック装置。
4. 前記保護カバーは、前記一枚の金属板が折り返された多層で構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
5. 前記受電板から前記セルの配列方向に沿って外側に向けて延びている電流引き出し部を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
6. 前記受電板の下端は前記マニホールドに固定されているとともに、前記保護カバーの下端は前記マニホールドの上部から離間した位置にある請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池装置。