JP6181696B2

JP6181696B2 - セルスタックおよび燃料電池モジュール

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Publication number: JP6181696B2
Application number: JP2015080983A
Authority: JP
Inventors: 小林　和明; 和明小林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: JP2015149295A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを集電部材を用いて電気的に接続してなるセルスタックおよび燃料電池モジュールに関する。

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（空気等）とを用いて６００℃〜１０００℃の高温下で発電する固体酸化物形の燃料電池セルが知られている。複数の燃料電池セルは、集電部材を介して電気的に直列に接続してセルスタックが構成されている（例えば、特許文献１参照）。この集電部材は、導電性接合材を用いて燃料電池セルに接合されている。

特開２００５−３３９９０４号公報

従来、集電部材は燃料電池セルに導電性接合材を用いて接合していたが、集電部材と燃料電池セルとの間の導電性接合材中に気泡を噛み込む場合があり、この場合には、長期間発電すると、経時的に発電性能が低下するおそれがあった。

本発明は、発電性能を高く維持できるセルスタックおよび燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明のセルスタックは、積層された複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セル間にそれぞれ配置された集電部材とを具備し、前記集電部材の前記燃料電池セルと対向する部分を、前記燃料電池セルに導電性接合材で接合してなるとともに、前記集電部材は、一方の前記燃料電池セルに接合される複数の板状の第１セル対面部と、他方の前記燃料電池セルに接合される複数の板状の第２セル対面部とを具備しており、該セル対面部は前記燃料電池セルの幅方向に延びており、該幅方向に直交する長さ方向の断面で見た場合に、前記集電部材の前記燃料電池セルとの接合部において、前記第１セル対面部が前記燃料電池セル側に向けて凸形状とされており、前記集電部材の前記燃料電池セルとの接合部において、前記第１セル対面部と、前記燃料電池セルとは、間に導電性接合材を介して接合され
ており、該導電性接合材は、前記第１セル対面部と前記燃料電池セルとの間に気泡が存在せず、かつ前記第１セル対面部と前記燃料電池セルとの間以外の位置において、気泡が存在するかもしくは気泡が存在していない、ことを特徴とする。

本発明の燃料電池モジュールは、上記セルスタックを収納容器内に収納してなるものである。

本発明のセルスタックによれば、長時間発電した場合でも、経時的な発電性能低下を抑制し、長期間高い発電性能を維持できる。

燃料電池セルスタック装置を示すもので、（ａ）は燃料電池セルスタック装置を概略的に示す説明図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す横断面図である。図１に示す燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のインターコネクタを省略した状態を、インターコネクタ側から見た側面図である。図１に示す集電部材を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。一対の燃料電池セルを集電部材で電気的に接続した状態を示す横断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。集電部材のセル対面部と燃料電池セルとの接合部分を拡大して示す説明図である。燃料電池セルスタック装置を収納容器から取り出した状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。図６に示す燃料電池モジュールを外装ケースに収納してなる燃料電池装置を示す斜視図である。

セルスタック１２を具備する燃料電池セルスタック装置１１（以下、セルスタック装置１１という場合がある）について図１を用いて説明する。なお、図１〜７において、理解を容易にするために、部材の厚み、長さ、幅等を拡大縮小して示している場合がある。

セルスタック装置１１は、一対の対向する主面を有し、全体的に見て長尺板状の導電性支持体１７の一方の主面上に、内側電極層である燃料極１８と、固体電解質１９と、外側電極層である酸素極２０とをこの順に積層してなる発電部を備える、固体酸化物形の燃料電池セル１３を有している。導電性支持体１７の内部には、複数のガス流路２２が長さ方向に貫通して形成されている。ガス流路２２を流れるガスの流れを図２（ｂ）に矢印で示す。

燃料電池セル１３（中空平板型）は、導電性支持体１７の他方側の主面にインターコネクタ２１を積層してなる長い柱状であり、これらの燃料電池セル１３の複数個を１列に配列（積層）し、隣接する燃料電池セル１３間に集電部材１４を配置し、燃料電池セル１３同士を電気的に直列に接続してセルスタック１２が構成されている。

燃料電池セル１３と集電部材１４とは導電性接合材２３を介して接合されており、それにより、複数個の燃料電池セル１３を集電部材１４を介して電気的および機械的に接合して、セルスタック１２を構成している。

導電性支持体１７は、図２に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極１８が設けられており、さらに、この燃料極１８を覆うように、緻密質な固体電解質１９が積層されている。また、固体電解質１９の上には、燃料極１８と対面するように、多孔質な酸素極２０が積層されている。

言い換えると、燃料極１８および固体電解質１９は、導電性支持体１７の両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、固体電解質１９の両端部にインターコネクタ２１の両端部が接合され、固体電解質１９とインターコネクタ２１とで導電性支持体１７を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。

そして、セルスタック１２を構成する各燃料電池セル１３の下端部が、ガスタンク１６に、ガラス等のシール材（図示せず）により固定され、セルスタック装置１１が構成されており、燃料ガスは、燃料電池セル１３の内部に設けられたガス流路２２を介して燃料極１８に供給される。

図１に示すセルスタック装置１１においては、燃料電池セル１３のガス流路２２の内部を燃料ガスとして水素含有ガスが流れるとともに、燃料電池セル１３の間に配置された集電部材１４の内側を酸素含有ガス（空気）が流れる構成となる。それにより、燃料極１８にガスタンク１６から燃料ガスが供給され、酸素極２０に集電部材１４の内側を通じて酸素含有ガスが供給されることで、燃料電池セル１３の発電が行なわれる。

セルスタック装置１１は、燃料電池セル１３の配列方向ｘの両端から、セルスタック１２を挟持するように、ガスタンク１６に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材１５を具備している。ここで、図１に示す導電部材１５は、平板部１５ａと、燃料電池セル１３の配列方向ｘに沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック１２（燃料電池セル１３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出部１５ｂとを有している。

以下に、燃料電池セル１３を構成する各部材について説明する。燃料極１８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１９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、ランタンガレート等の他の材料等を用いて形成してもよい。

酸素極２０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。酸素極２０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％の範囲とすることができる。酸素極２０として、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するランタンマンガナイト（ＬａＳｒＭｎＯ_３）、ランタンフェライト（ＬａＳｒＦｅＯ_３）、ランタンコバルタイト（ＬａＳｒＣｏＯ_３）などを用いることができる。

インターコネクタ２１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（ＬａＣｒＯ_３）を使用することができる。インターコネクタ２１は、導電性支持体１７に形成された複数のガス流路２２を流通する燃料ガス、および導電性支持体１７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％以上の相対密度であることが好ましい。

導電性支持体１７としては、燃料ガスを燃料極１８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２１を介して集電するために導電性であることが必要とされる。したがって、導電性支持体１７としては、かかる要求を満足する材質を用いる必要があり、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。

なお、燃料電池セル１３を作製するにあたり、燃料極１８または固体電解質１９との同時焼成により導電性支持体１７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導電性支持体１７を形成することができる。また、導電性支持体１７は、所要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５０Ｓ／ｃｍ以上、さらには３００Ｓ／ｃｍ以上、４４０Ｓ／ｃｍ以上にしてもよい。燃料電池セル１３は、導電性支持体１７を用いることな
く、燃料極１８を支持体としての機能を併せ持つようにすることも可能である。

さらに、酸素極２０上にＰ型半導体層を形成することができる。Ｐ型半導体層（図示せず）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２１を構成するランタンクロマイト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などが存在するランタンマンガナイト（ＬａＳｒＭｎＯ_３）、ランタンフェライト（ＬａＳｒＦｅＯ_３）、ランタンコバルタイト（ＬａＳｒＣｏＯ_３）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型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。

導電性接合材２３は、燃料電池セル１３と集電部材１４とを接合するために設けられており、導電性セラミックス等を用いて形成することができる。導電性セラミックスとしては、酸素極２０を形成するものと同様のものを用いることができる。

具体的には、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３等を用いることができる。これらの材料を単一の材料を用いて作製してもよく、２種以上組み合わせて導電性接合材２３を作製してもよい。

次に、集電部材１４について図３を用いて説明する。集電部材１４は、隣接する一方の燃料電池セル１３と接合される複数の板状（帯状）の第１セル対面部１４ａ１と、燃料電池セルから離れるように第１セル対面部１４ａ１の両側から延びた板状（帯状）の第１離間部１４ａ２と、隣接する他方の燃料電池セル１３と接合される複数の板状（帯状）の第２セル対面部１４ｂ１と、燃料電池セルから離れるように第２セル対面部１４ｂ１の両側から延びた板状（帯状）の第２離間部１４ｂ２とを有している。

さらに、複数の第１離間部１４ａ２および複数の第２離間部１４ｂ２の一端同士を連結する第１連結部１４ｃと、複数の第１離間部１４ａ２および複数の第２離間部１４ｂ２の他端同士を連結する第２連結部１４ｄとを一組のユニットとし、これらのユニットの複数組が、燃料電池セル１３の長さ方向に導電性連結片１４ｅにより連結されて構成されている。第１セル対面部１４ａ１および第２セル対面部１４ｂ１は、図４に示すように、燃料電池セル１３に接合される部位であり、これらの部位が燃料電池セル１３の発電電力を出入する部分となっている。

すなわち、燃料電池セル１３と、集電部材１４のセル対面部１４ａ１、１４ｂ１とが導電性接合材２３で接合されている。言い換えると、複数の燃料電池セル１３が平坦部を有し、該平坦部に、平坦状のインターコネクタ２１を有しており、該インターコネクタ２１に第１セル対面部１４ａ１が対面しており、第２セル対面部１４ｂ１は平坦状の酸素極２０と対面しており、これらの間が導電性接合材２３で接合されている。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＣ−Ｃ線に沿った縦断面図である。セル対面部１４ａ１、１４ｂ１は、燃料電池セル１３の幅方向に延びており、燃料電池セル１３の長さ方向に所定間隔をおいて酸素極２０、インターコネクタ２１に接合されている。

燃料電池セル１３において、上述したように、固体電解質１９を介して燃料極１８と、酸素極２０とが対向する部位が発電する部位となる。それゆえ、燃料電池セル１３の発電部で発電された電流を効率よく集電するにあたり、集電部材１４の燃料電池セル１３の長手方向に沿った長さは、燃料電池セル１３の長さ方向における酸素極層２０の長さと同等以上とすることがよい。

集電部材１４は、耐熱性および導電性を有する必要があり、金属または合金により作製
することができる。特には、集電部材１４は、高温の酸化雰囲気に曝されることから４〜３０％の割合でＣｒを含有する合金から作製することができ、Ｆｅ−Ｃｒ系の合金やＮｉ−Ｃｒ系の合金等により作製できる。

また、集電部材１４は高温の酸化雰囲気に曝されることから、集電部材１４の表面に、耐酸化性のコーティングを施してもよい。それにより、集電部材１４の劣化を低減することができる。耐酸化性のコーディングを施す部位としては、集電部材１４の全表面に施すことが好ましい。それにより、集電部材１４の表面が高温の酸化雰囲気に曝されることを抑えることができる。

ここで、集電部材１４の作製方法について説明する。一枚の矩形状をした板部材にプレス加工を施して板部材の幅方向に延びるスリットを板部材の長手方向に複数所定間隔をおいて形成する。そして、第１セル対面部１４ａ１、第１セル離間部１４ａ２および第２セル対面部１４ｂ１、第２セル離間部１４ｂ２となるスリット間の部位を交互に突出させることにより、図３に示す集電部材１４を作製することができる。

そして、本形態では、集電部材１４は、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５に示すように、第１セル対面部１４ａ１は、この第１セル対面部１４ａ１の長さ方向の断面では平坦であるが（図４参照）、第１セル対面部１４ａ１の幅方向の断面で見た場合に、集電部材１４の燃料電池セルとの接合部において、インターコネクタ２１側に向けて凸形状とされ、半割パイプ形状とされている。言い換えれば、第１セル対面部１４ａ１を、幅方向の断面で見た場合には、インターコネクタ２１側に向けて突出する円弧状とされており、その曲率半径は、導電性接合材２３を形成するためのペースト粘度等により適宜設定される。なお、第２セル対面部１４ｂ１は、第２セル対面部１４ｂ１の長さ方向の断面でも幅方向の断面でも平坦状とされている。

セル対面部１４ａ１、１４ｂ１の長さは、燃料極１８、固体電解質１９が形成されていない導電性支持体１７に位置するインターコネクタ２１上に接合され、インターコネクタ２１の端部と燃料極１８、固体電解質１９の端部が重畳した段差部には接合しないような長さとされている。

これにより、第１セル対面部１４ａ１と燃料電池セル１３のインターコネクタ２１とを導電性接合材２３で接合する際に、気泡Ａを噛み込んだとしても、この気泡Ａを、集電部材１４の第１セル対面部１４ａ１の凸部で、集電部材１４の第１セル対面部１４ａ１と燃料電池セル１３のインターコネクタ２１との間の導電性接合材２３から、第１セル対面部１４ａ１とインターコネクタ２１との間以外の位置に気泡Ａを逃がすことができ、さらには、気泡Ａを導電性接合材２３の外部に放出することができ、長期間発電した場合でも、経時的な発電性能低下を抑制し、高い発電性能を維持できる。

すなわち、インターコネクタ２１に導電性接合材２３を形成するためのペーストを塗布し、第１セル対面部１４ａ１を押し当てる際に、第１セル対面部１４ａ１が平坦であった場合には、図５（ａ）に示すように、噛み込んだ気泡Ａはそのまま残存するが、図５（ｂ）に示すように、第１セル対面部１４ａ１を円弧状とすることにより、気泡Ａが第１セル対面部１４ａ１表面に沿って移動し、集電部材１４の第１セル対面部１４ａ１と燃料電池セル１３のインターコネクタ２１との間の導電性接合材２３から、第１セル対面部１４ａ１とインターコネクタ２１との間以外の位置に移動させることができる。特に、第１セル対面部１４ａ１を、幅方向の断面で見た場合に、インターコネクタ２１側に凸形状とすることにより、気泡Ａの移動距離を短くできるため、気泡Ａを除去しやすくなる。

なお、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５では、第１セル対面部１４ａ１を、第１セル対面
部１４ａ１の幅方向の断面で見た場合に、接合部においてインターコネクタ２１側に向けて凸形状としたが、第２セル対面部１４ｂ１を、第２セル対面部１４ｂ１の幅方向の断面で見た場合に、接合部において酸素極２０側に向けて凸形状とした場合にも、導電性接合材２３で接合する際に、気泡Ａを噛み込んだとしても、気泡Ａを、集電部材１４の第２セル対面部１４ｂ１と燃料電池セル１３の酸素極２０との間の導電性接合材２３から、第２セル対面部１４ｂ１と酸素極２０との間以外の位置に逃がすことができる。

また、図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５では、第１セル対面部１４ａ１を、第１セル対面部１４ａ１の幅方向の断面で見た場合に、接合部においてインターコネクタ２１側に向けて凸形状としたが、第１セル対面部１４ａ１を、第１セル対面部１４ａ１の長さ方向の断面で見た場合に、インターコネクタ２１側に向けて凸形状としても、ある程度の効果を得ることができる。

なお、図１では、燃料電池セル１３をタンク１６上に、長さ方向を縦にして立設して設けたが、燃料電池セル１３の長さ方向を横にして設けたセルスタックであっても良い。

次に、セルスタック１２を収納容器３１内に収納してなる燃料電池モジュール３０について図６を用いて説明する。

図６に示す燃料電池モジュール３０は、燃料電池セル１３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３２をセルスタック１２の上方に配置している。そして、改質器３２で生成された燃料ガスは、ガス流通管３３を介してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６を介して燃料電池セル１３の内部に設けられたガス流路２２に供給される。

なお、図６においては、収納容器３１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１１および改質器３２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図６に示した燃料電池モジュール３０においては、セルスタック装置１１を、収納容器３１内にスライドして収納することが可能である。

また収納容器３１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材３４は、図６においてはガスタンク１６に並置されたセルスタック１２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１３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル１３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、燃料電池セル１３のガス流路２２より排出される発電に使用されなかった余剰の燃料ガス（燃料オフガス）を燃料電池セル１３の上方で燃焼させることにより、セルスタック１２の温度を効果的に上昇させることができ、セルスタック装置１１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１３の上方にて、燃料電池セル１３のガス流路１２から排出され発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック１２の上方に配置された改質器３２を温めることができる。それにより、改質器３２で効率よく改質反応を行うことができる。

次に、燃料電池モジュール３０と、燃料電池モジュール３０を作動させるための補機（図示せず）とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置３５について図７を用いて説明する。

図７に示す燃料電池装置３５は、支柱３６と外装板３７とから構成される外装ケース内を仕切板３８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３０を収納するモジュール収納室３９とし、下方側を燃料電池モジュール３０を作動させるための補機を収納する補機収納室４０として構成されている。なお、補機収納室４０に収納する補
機の記載、外装板３７の一部の記載は省略している。

また、仕切板３８には、補機収納室４０の空気をモジュール収納室３９側に流すための空気流通口４１が設けられており、モジュール収納室３９を構成する外装板３７の一部に、モジュール収納室３９内の空気を排気するための排気口４２が設けられている。

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、本発明の要旨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、上記形態では、中空平板型の燃料電池セル１３を用いたが、円筒型の燃料電池セル、平板型の燃料電池を用いることもできる。

また、上記形態では、インターコネクタ２１を有する燃料電池セル１３を用いたが、インターコネクタを有しない燃料電池セルを用いることもできる。

さらに、上記形態では、図３に示すような集電部材１４を用いたが、これに限定されるものではない。

また、上記形態では、集電部材１４の燃料電池セル１３と対向する部分を凸形状としたが、併せて、燃料電池セル１３の集電体１４と対向する部分、例えばインターコネクタ２１を凸形状とすることも可能である。この場合には、さらに気泡Ａを除去し易くなる。また、集電部材１４の燃料電池セル１３と対向する部分を凸形状とする代わりに、燃料電池セル１３の集電体１４と対向する部分、例えばインターコネクタ２１を凸形状とすることも可能である。

１１：燃料電池セルスタック装置
１２：セルスタック
１３：燃料電池セル
１４：集電部材
１４ａ１：第１セル対面部
１４ｂ１：第２セル対面部
３０：燃料電池モジュール
３１：収納容器
３５：燃料電池装置

Claims

積層された複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セル間にそれぞれ配置された集電部材とを具備し、該集電部材の前記燃料電池セルと対向する部分を、前記燃料電池セルに導電性接合材で接合してなるとともに、前記集電部材は、一方の前記燃料電池セルに接合される複数の板状の第１セル対面部と、他方の前記燃料電池セルに接合される複数の板状の第２セル対面部とを具備しており、
該セル対面部は前記燃料電池セルの幅方向に延びており、該幅方向に直交する長さ方向の断面で見た場合に、前記集電部材の前記燃料電池セルとの接合部において、前記第１セル対面部が前記燃料電池セル側に向けて凸形状とされており、
前記集電部材の前記燃料電池セルとの接合部において、
前記第１セル対面部と、前記燃料電池セルとは、間に導電性接合材を介して接合されており、
該導電性接合材は、前記第１セル対面部と前記燃料電池セルとの間に気泡が存在せず、かつ前記第１セル対面部と前記燃料電池セルとの間以外の位置において、気泡が存在するかもしくは気泡が存在していない、ことを特徴とするセルスタック。
請求項１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モジュール。