JP6175385B2

JP6175385B2 - セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

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Publication number: JP6175385B2
Application number: JP2014036840A
Authority: JP
Inventors: 光博中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: JP2015162357A

Description

本発明は、複数個の柱状の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック装置、燃料電池モジュール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、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（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１のセルスタック装置は、複数個の燃料電池セルを集電部材を介して立設させた状態で配列するとともに、その配列方向の両端部に端部集電部材を介して導電部材を配置し、燃料電池セルの下端部と、導電部材の下端部とをガスタンクに固定して構成されている。

そして、導電部材は、端部集電部材に接合された受電部と、受電部を保護するための保護部とを具備して構成されており、受電部には電流引出部が一体的に設けられている。受電部と保護部は一枚板で構成され、一枚板を所定形状に切断し、折曲することで構成されている。セルスタック装置の周囲には、セルスタック装置を高温に保持するため断熱材が配置されるが、この断熱材が受電部に直接接触することによる悪影響を防止するため、保護部が設けられている。

特開２０１０−１２９２７０号公報

特許文献１のセルスタック装置では、導電部材が一枚板で構成されていたため、受電部に要求される特性（例えば剛性が低い）と、保護部に要求される特性（例えば剛性が高い）とを同時に満足する導電部材を得ることが困難であった。また、導電部材が一枚板で構成されていたため、その加工が困難であった。

本発明は、受電板および保護板に要求される特性を同時にかつ容易に満足できるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明のセルスタック装置は、柱状の燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの両端に、前記燃料電池セルに接合された端部集電部材を介して前記セルスタックを狭持するように配置された一対の導電部材と、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに反応ガスを供給するためのガスタンクとを具備するセルスタック装置であって、前記導電部材は、前記端部集電部材に接合された受電板と、該受電板の前記配列方向における外側に設けられた保護板とを具備するとともに、前記受電板の下端部が前記ガスタンクに固定されており、前記保護板の下端部が前記受電板の下端部に機械的接合により保持されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置では、燃料電池セルの配列方向における受電板の外側に保護板が設けられ、受電板の下端部がガスタンクに固定され、この受電板の下端部に、保護板の下端部が保持されているため、例えば断熱材が受電板に接触することを保護板で阻止し、保護できるとともに、保護板と受電板とが別体であるため、例えば、セルスタックの傾斜に対して受電板を柔軟に追従させるため、受電板の厚みを薄くする一方で、保護板の厚みを厚くしたり、受電板と保護板の構成材料を異らせることができ、受電板および保護板に要求される特性を同時にかつ容易に満足できる。

セルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の波線で囲った部分および導電部材を拡大した横断面図である。集電部材の一例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。受電板と保護板とを具備する導電部材の一例を示す分解斜視図である。受電板に対する保護板の組み付け状態を説明するもので、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は受電板に保護板を組み付けた状態を示す斜視図、（ｃ）は保護板の側板に設けられた凸部が、受電板の側板に設けられた開口部に嵌合している状態を示す断面図である。（ａ）は間隔保持板を有しない保護板を用いた導電部材を示す分解斜視図、（ｂ）は、凹溝を形成した受電板を用いた導電部材を示す分解斜視図である。導電部材および燃料電池セルの下端部をガスタンクに接合した状態を示す断面図である。燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

図１は、セルスタック装置１の一例を示すもので、（ａ）はセルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１の一部拡大横断面図である。また、同一の部材については同一の符号を付するものとし、以下同様とする。なお、（ｂ）において（ａ）で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。

ここで、セルスタック装置１は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体１２（以下、支持体１２と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に内側電極層としての燃料側電極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての酸素側電極層１０とを順に積層してなる柱状（中空平板型）の燃料電池セル３を有している。そして、燃料電池セル３の複数個を立設するとともに、隣接する燃料電池セル３間を集電部材４ａを介して電気的に直列に接続してセルスタック２を構成し、燃料電池セル３の下端部を、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのガスタンク７の開口部に電気絶縁性のシール材Ｓで接合固定して構成されている。

また、セルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向ｘの両端から端部集電部材４ｂを介してセルスタック２を挟持するように、ガスタンク７に下端部がシール材Ｓで固定された導電部材５を具備している。

さらに、支持体１２の他方側の平坦面上にはインターコネクタ１１が設けられており、支持体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が複数設けられている。

また、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。集電部材４ａ（端部集電部材４ｂ）を、Ｐ型半導体層１４を介してインターコネクタ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、支持体１２を燃料側電極層８を兼ねるものとし、その一方側表面上に固体電解質層９および酸素側電極層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、燃料電池セル３としては、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３とする上で、固体酸化物形の燃料電池セル３とすることができる。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。

以下に、図１において示すセルスタック装置１を構成する各部材について説明する。

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、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化ジルコニアも含む）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、電極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％の希土類元素酸化物が固溶した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。

酸素側電極層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。酸素側電極層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。

インターコネクタ１１は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえ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）が好適に使用される。インターコネクタ１１は支持体１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３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。

支持体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、支持体１２としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば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。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体１２を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから支持体１２を形成することが好ましい。また、支持体１２は、燃料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。

また図１に示した燃料電池セル３において、柱状の支持体１２は、燃料電池セル３の長さ方向ｙ（立設方向）に細長く延びる板状片であり、一対の対向する平坦面と半円形状の両側面を有する中空平板状である。そして燃料電池セル３の下端部と後述する導電部材５の下端部とが、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するガスタンク７の開口部に、例えば耐熱性に優れたシール材Ｓ（ガラスシール材等）によって固定され、支持体１２に設けられたガス流路１３が、燃料ガス室（図示せず）に通じている。

さらに、Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属の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を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト酸化物（ＬａＣｒＯ_３）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ等が存在するＬａＣｒＯ_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。

そして、燃料電池セル３は集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂを介して電気的に直列に接続されている。なお、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２は、燃料電池セル３間を電気的に接続するための集電部材４ａの一例を示したものである。図２に示した集電部材４ａは、隣接する一方の燃料電池セル３の酸素側電極層１０に当接する一方の接触部１６と、隣接する他方の燃料電池セル３のＰ型半導体層１４（Ｐ型半導体層１４がない場合にはインターコネクタ１１）に当接する他方の接触部１６と、これら一対の接触部１６の両端同士をそれぞれ接合する接続部１７とを基本構成の導電片として具備する。より詳細には左右に配置される接続部１７間に渡された複数の帯状をした接触部１６を、図２（ｂ）に示すように、接続部１７に対して交互に（紙面に対して上下方向）に突出させるように折り曲げて導電片を構成し、この導電片の複数個を、導電性連結片１９を介して燃料電池セル３の長さ方向ｙに沿って連続的に形成することにより、燃料電池セル３の長さ方向ｙに延在する一繋がりの集電部材４ａを形成している。集電部材４ａ、端部集電部材４ｂは、導電性接着剤で燃料電池セル３に接合している。

このような集電部材４ａは、集電効率のよい集電部材（すなわち、燃料電池セル３との接触面積が多い集電部材）であるため、セルスタック装置１において有用となる。端部集電部材４ｂとしては、集電部材４ａと同じものを使用できるが、集電部材４ａよりも変形し易いものが望ましい。

図３、図４は、導電部材５の一例を示したもので、導電部材５は、受電板５ａと、この受電板５ａよりも燃料電池セル３の配列方向ｘに沿った外側に設けられた保護板５ｂとを具備して構成されており、図５に示すように、受電板５ａの下端部がガスタンク７に固定され、保護板５ｂの下端部が受電板５ａの下端部に保持固定されている。

すなわち、受電板５ａは、端部集電部材４ｂが接合された平板板５ａ１と、この平板５ａ１の下端部に設けられた側板５ａ２と、燃料電池セル３の配列方向ｘに沿って外側に延びる帯状の電流引出部５ａ３とを具備して構成されている。また、保護板５ｂは、受電板５ａの平板５ａ１とほぼ平行に設けられた平板部５ｂ１と、この平板部５ｂ１の下端部に設けられた側板５ｂ２とを具備している。

受電板５ａの側板５ａ２と、保護板５ｂの側板５ｂ２は、受電板５ａの平板板５ａ１、保護板５ｂの平板部５ｂ１の幅方向両端に、それぞれ設けられている。一対の側板５ａ２
間の距離は、一対の側板５ａ２間に一対の側板５ｂ２が入り込むだけの間隔を有している。

受電板５ａの側板５ａ２が、対向する保護板５ｂ側に向けて延びており、保護板５ｂの側板５ｂ２が、対向する受電板５ａ側に向けて延びている。受電板５ａの側板５ａ２には開口部５ａ２１が形成され、保護板５ｂの側板５ｂ２には、外側に突出し、開口部５ａ２１に嵌合する凸部５ｂ２１が形成され、図４（ｃ）に示すように、受電板５ａの側板５ａ２の開口部５ａ２１に、保護板５ｂの側板５ｂ２の凸部５ｂ２１が嵌合している。

また、保護板５ｂの側板５ｂ２には、受電板５ａ側に突出する突起５ｂ２２が設けられており、受電板５ａの平板５ａの幅方向の側面には凹部５ａ１１が設けられ、保護板５ｂの突起５ｂ２２が受電板５ａの凹部５ａ１１に係合し、保護板５ｂが受電板５ａ側に倒れることを阻止している。

さらに、受電板５ａの開口部５ａ２１に、保護板５ｂの凸部５ｂ２１が嵌合すると同時に、保護板５ｂの突起５ｂ２２が受電板５ａの凹部５ａ１１に係合し、さらに保護板５ｂの側板５ｂ２の受電板５ａ側の面が、受電板５ａの平板５ａ１に当接し、受電板５ａの下端部に保護板５ｂの下端部が保持固定されている。

また、保護板５ｂの平板５ｂ１には、受電板５ａの平板５ａ１側に延び、かつ保護板５ｂの平板５ｂ１と受電板５ａの平板５ａ１との間隔を一定に保持するための間隔保持板５ｂ１１が上下に所定間隔をおいて２個設けられている。上側の間隔保持板５ｂ１１は、保護板５ｂの平板５ｂ１にコ字状の切り込みを形成し、その部分を受電板５ａ側に折り曲げて構成されており、間隔保持板５ｂ１１を折り曲げた部分の平板５ｂ１は開口している。下側の間隔保持板５ｂ１１は、保護板５ｂの平板５ｂ１の端面に切り込みを入れ、その部分を受電板５ａ側に折り曲げて構成されている。

なお、保護板５ｂの側板５ｂ２の上方に位置する平板５ｂ１には、側板５ｂ３が設けられ、強度向上を図っている。この側板５ｂ３は、側板５ｂ２よりも外側に突出している。

受電板５ａは、図５に示すように、開口部５ａ２１の下方がシール材Ｓで接合されており、保護板５ｂの下端部はシール材Ｓでは接合されていない。

以上のように構成されたセルスタック装置では、燃料電池セル３の配列方向ｘにおける受電板５ａの外側に保護板５ｂが設けられ、受電板５ａの下端部がガスタンク７に固体され、この受電板５ａの下端部の側板５ａ２に設けられた開口部５ａ２１に、保護板５ｂの下端部の側板５ｂ２に設けられた凸部５ｂ２１が嵌合しており、また、保護板５ｂの下端部の側板５ｂ２に設けられた突起５ｂ２２が、受電板５ａの下端部の平板５ａ１に設けられた凹部５ａ１１に係合し、さらに保護板５ｂの側板５ｂ２の受電板５ａ側の面が、受電板５ａの平板５ａに当接しているため、受電板５ａと保護板５ｂとが一体になっており、例えば断熱材が受電板５ａに接触することを阻止し、保護できるとともに、保護板５ｂと受電板５ａとが別体であるため、例えば、受電板５ａをセルスタック２の傾斜に柔軟に対応させるために、保護板５ｂよりも薄くしたり、保護板５ｂとは構成材料を異ならせることができ、受電板５ａと保護板５ｂとに要求される特性を同時にかつ容易に満足できる。

図６（ａ）は、他の形態の導電部材を示すもので、この形態では、図３に示すような間隔保持板５ｂ１１を有していない。このようなセルスタック装置であっても、上記形態と同様な効果を得ることができる。

図６（ｂ）は、さらに他の形態の導電部材を示すもので、この形態では、図３に示すよ
うな間隔保持板５ｂ１１を有しておらず、さらに、受電板５ａの下端部の平板５ａ１に設けられた凹部５ａ１１の位置に、平板５ａ１の幅方向に凹溝５ａ１２が形成され、この部分で平板部５ａ１が容易に変形可能となっている。このような導電部材では、燃料電池セル３の変形に対して柔軟に対応して、受電板５ａが変形することができる。

図７は、燃料電池モジュール５０を示すもので、直方体状の収納容器５１の内部に、燃料ガスが流通するガス流路１３を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４ａを介して電気的に直列に接続してセルスタック２を構成するとともに、燃料電池セル３の下端部をガラスシール材等のシール材Ｓでガスタンク７に固定してなる燃料電池セルスタック装置１を収納して構成されている。

なお、燃料電池セル３にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器５５をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器５５で生成された燃料ガスは、ガス流通管５６を介してガスタンク７に供給され、ガスタンク７を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１３に供給される。

なお、図７においては、収納容器５１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図７に示した燃料電池モジュール５０においては、セルスタック装置１を、収納容器５１内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置１は、改質器５５を含まなくても良い。

また収納容器５１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材５８は、図７においてはガスタンク７に並置されたセルスタック２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル３のガス流路１３より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３のガス流路１３から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器５５を温めることができる。それにより、改質器５５で効率よく改質反応を行うことができる。

図８は、燃料電池装置６０の一例を示す分解斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。

図８に示す燃料電池装置６０は、支柱６６と外装板６７から構成される外装ケース内を仕切板６８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール５０を収納するモジュール収納室６４とし、下方側を燃料電池モジュール５０を動作させるための補機類を収納する補機収納室６３として構成されている。なお、補機収納室６３に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板６８には、補機収納室６３の空気をモジュール収納室６４側に流すための空気流通口６１が設けられており、モジュール収納室６４を構成する外装板６７の一部に、モジュール収納室６４内の空気を排気するための排気口６２が設けられている。

このような燃料電池装置６０においては、上述したように、発電効率を向上することができる燃料電池モジュール５０をモジュール収納室６４に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置５０とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述した燃料電池セルスタック装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路１３に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１３に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。

また、上記形態では、受電板５ａの下端部の側板５ａ２に設けられた開口部５ａ２１に、保護板５ｂの下端部の側板５ｂ２に設けられた凸部５ｂ２１が嵌合した形態については説明したが、受電板の側板に凸部を設け、保護板の側板に開口部を設け、保護板の開口部に受電板の凸部を嵌合しても良い。

さらに、上記形態では、保護板５ｂの下端部の側板５ｂ２に設けられた突起５ｂ２２が、受電板５ａの下端部の平板５ａ１に設けられた凹部５ａ１１に係合した形態について説明したが、受電板の側板に突起を設け、保護板の平板に凹部を設け、保護板の凹部に受電板の突起を係合させても良い。

また、上記形態では、保護板５ｂの側板５ｂ２に、図３、４に示すような、凸部５ｂ２１を形成したが、本発明では、このような凸部に限定されるものではなく、開口部に嵌合するような突出した形状であれば良い。

１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４ａ：集電部材
４ｂ：端部集電部材
５：導電部材
５ａ：受電板
５ａ１：平板
５ａ１１：凹部
５ａ２：側板
５ａ２１：開口部
５ａ３：電流引出部
５ｂ：保護板
５ｂ１：平板
５ｂ１１：間隔保持板
５ｂ２：側板
５ｂ２１：凸部
５ｂ２２：突起
５０：燃料電池モジュール
６０：燃料電池装置

Claims

柱状の燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの両端に、前記燃料電池セルに接合された端部集電部材を介して前記セルスタックを狭持するように配置された一対の導電部材と、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに前記燃料電池セルに反応ガスを供給するためのガスタンクとを具備するセルスタック装置であって、前記導電部材は、前記端部集電部材に接合された受電板と、該受電板の前記配列方向における外側に設けられた保護板とを具備するとともに、前記受電板の下端部が前記ガスタンクに固定されており、前記保護板の下端部が前記受電板の下端部に機械的接合により保持されていることを特徴とするセルスタック装置。
前記保護板および前記受電板は、それぞれ前記燃料電池セルの長さ方向に延びる平板および該平板の下端部に設けられた側板を有するとともに、前記保護板および前記受電板の平板は平行に設けられ、前記保護板および前記受電板の側板がそれぞれ前記受電板または前記保護板に向けて延びており、かつ前記保護板および前記受電板の側板には開口部またはこの開口部に嵌合する凸部が形成され、前記保護板の側板の開口部または凸部が、前記受電板の側板の凸部または開口部に嵌合していることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
前記受電板または前記保護板の前記側板には突起が設けられており、該突起が設けられていない前記保護板または前記受電板の前記平板には凹部が設けられ、前記突起が前記凹部に係合していることを特徴とする請求項２に記載のセルスタック装置。
前記保護板の平板には、前記受電板の平板側に延び、かつ前記保護板の平板と前記受電板の平板との間隔を一定に保持するための間隔保持板が設けられている請求項２または３に記載のセルスタック装置。
請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載のセルスタック装置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モジュール。
請求項５に記載の燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。