JP6317553B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、高温で発電を行う発電ユニットを断熱容器で囲った燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which a power generation unit that generates power at a high temperature is surrounded by a heat insulating container.
燃料電池は、発電の最小単位である燃料電池セルを複数枚積層して発電ユニット(「燃料電池スタック」ともいう。)としている。
一方、現在、燃料電池には、電解質の材質により大別して、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)と、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)と、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)と、例えばZrO2系セラミックを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)の4タイプがある。各タイプは、作動温度(イオンが電解質中を移動できる温度)が異なるのであって、現時点において、PEFCは常温〜約90℃、PAFCは約150℃〜200℃、MCFCは約600℃〜700℃、SOFCは約700℃〜1000℃である。
A fuel cell is a power generation unit (also referred to as a “fuel cell stack”) in which a plurality of fuel cells, which are the minimum unit of power generation, are stacked.
On the other hand, fuel cells are roughly classified according to the material of the electrolyte, and a solid polymer fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte. There are four types: a molten carbonate fuel cell (MCFC) using Li-Na / K carbonate as an electrolyte and a solid oxide fuel cell (SOFC) using a ZrO 2 ceramic as an electrolyte. Each type has a different operating temperature (the temperature at which ions can move through the electrolyte). At present, PEFC is at room temperature to about 90 ° C, PAFC is about 150 ° C to 200 ° C, and MCFC is about 600 ° C to 700 ° C. , SOFC is about 700 ° C to 1000 ° C.
これらの燃料電池のうち、MCFCやSOFCなど高温で作動させるものは、その作動温度を維持するために前記発電ユニットを囲う断熱容器を備えている(特許文献1参照)。
また、これらの燃料電池は、発電ユニットで発電した電気を断熱容器の外に取り出すために、発電ユニットに接続された導電性の電流取り出し部材と、その電流取り出し部材に断熱容器の外で接続される導電性の端子金具と、その端子金具に接続される例えば樹脂製の絶縁被覆材の中に銅線を通した送電ケーブルと、を有する。
Among these fuel cells, those that operate at high temperatures, such as MCFC and SOFC, include a heat insulating container that surrounds the power generation unit in order to maintain the operating temperature (see Patent Document 1).
In addition, these fuel cells are connected to the electric current extraction member connected to the power generation unit and the electric current extraction member outside the heat insulation container in order to take out the electricity generated by the power generation unit out of the heat insulation container. And a power transmission cable in which a copper wire is passed through an insulating covering material made of, for example, resin connected to the terminal fitting.
さて、従来の端子金具には、羽子板の板の部分に相当する板状の接続部と、羽子板の柄の部分に相当するものであって接続部側が閉じたキャップ形状で送電ケーブルの導電部(前記絶縁被覆材の先に突出させた銅線)に被さるケーブル接合部と、を有するほぼ羽子板形状のものがある。
そして、このような端子金具には、ケーブル接合部を加締めるなどして送電ケーブルの導電部との密閉性が確保されるようにしたものがある。もし、送電ケーブルの導電部が高温の酸化ガスに触れると、その部分が酸化して端子金具と送電ケーブルとの接触部分の電気抵抗が上昇するおそれがあるためである。
In the conventional terminal fitting, there are a plate-like connection portion corresponding to the plate portion of the battledore and a conductive portion of the transmission cable in a cap shape corresponding to the handle portion of the battledore plate and closed on the connection portion side ( And a cable joint covering a copper wire protruding from the tip of the insulating coating material.
Such terminal fittings include those in which sealing with the conductive portion of the power transmission cable is ensured by, for example, caulking the cable joint. This is because, if the conductive portion of the power transmission cable is exposed to high-temperature oxidizing gas, the portion is oxidized, and the electrical resistance of the contact portion between the terminal fitting and the power transmission cable may increase.
ところが実際には、端子金具のケーブル接合部を加締めて送電ケーブルの導電部との密閉性が確保されているにも拘わらず、電流取り出し部材から送電ケーブルに至る送電経路の電気抵抗が経時的に上昇する場合があった。 In practice, however, the electrical resistance of the power transmission path from the current extraction member to the power transmission cable is changed over time, despite the fact that the cable joint of the terminal fitting is crimped to ensure sealing with the conductive part of the power transmission cable. There was a case of rising.
そこで、送電経路の電気抵抗が上昇する部位の特定と原因について検討した結果、次のような結論に到達した。
すなわち、発電ユニットで発電した電気を断熱容器の外に取り出すための電流取り出し部材や端子金具さらには送電ケーブルの導電部などは、効率良く電気を取り出すために電気伝導性に優れた材料が使われているが、そのような電気伝導性の高い材料は同時に高い熱伝導性を有する。
したがって、発電ユニットの発電時の高熱が、電流取り出し部材から端子金具を経て送電ケーブルにまで到達する。そうすると、その高熱で端子金具のケーブル接合部と送電ケーブルの導電部が熱膨張して両者の間の密閉性が高温環境下で低下する。これにより送電ケーブルの導電部が高温の酸化ガスに触れて酸化したり、或は発電ユニットから漏れ出ることがある微小な漏洩ガスに触れて腐食するため、端子金具と送電ケーブルの接触部分の電気抵抗が上昇する。
Therefore, as a result of examining the location and the cause of the increase in the electrical resistance of the power transmission path, the following conclusion was reached.
In other words, materials with excellent electrical conductivity are used for the current extraction members, terminal fittings, and conductive parts of power transmission cables to extract the electricity generated by the power generation unit out of the heat insulation container. However, such a highly conductive material has a high thermal conductivity at the same time.
Therefore, high heat generated during power generation by the power generation unit reaches the power transmission cable from the current extraction member via the terminal fitting. If it does so, the cable junction part of a terminal metal fitting and the electroconductive part of a power transmission cable will thermally expand with the high heat, and the sealing performance between both will fall in a high temperature environment. This causes the conductive part of the transmission cable to oxidize by contact with the high-temperature oxidizing gas or to corrode by contact with minute leakage gas that may leak from the power generation unit. Resistance rises.
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的は、発電ユニットから電流を取り出す送電経路の経時的な電気抵抗の上昇が抑制可能な燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing an increase in electrical resistance over time of a power transmission path for extracting a current from a power generation unit.
上記の目的を達成するため本発明は、請求項1に記載したように、
高温で発電を行う発電ユニットと、
その発電ユニットを囲う断熱容器と、
前記発電ユニットで発電した電気を前記断熱容器の外に取り出す導電性の電流取り出し部材と、
前記断熱容器の外で導電性の端子金具を介して前記電流取り出し部材に接続される送電ケーブルと、を備える燃料電池において、
前記端子金具は、
前記送電ケーブルの導電部にキャップ状に被さり封止状態で該送電ケーブルに固着されるケーブル接合部と、
前記電流取り出し部材に連結される接続部と、を有し、
前記端子金具の前記ケーブル接合部と前記接続部との間に放熱部を設けてなる燃料電池を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention as described in
A power generation unit that generates power at a high temperature;
An insulated container surrounding the power generation unit,
A conductive current extraction member for extracting electricity generated by the power generation unit to the outside of the heat insulation container;
In a fuel cell comprising: a power transmission cable connected to the current extraction member via a conductive terminal fitting outside the heat insulating container;
The terminal fitting is
A cable joint that covers the conductive portion of the power transmission cable in a cap shape and is fixed to the power transmission cable in a sealed state;
A connection portion coupled to the current extraction member,
Provided is a fuel cell in which a heat radiating portion is provided between the cable joint portion and the connection portion of the terminal fitting.
また、請求項2に記載したように前記放熱部は、放熱性を高めるために加工された放熱促進部を有する請求項1に記載の燃料電池を提供する。
また、請求項3に記載したように前記放熱促進部は、貫通穴で形成されている請求項2に記載の燃料電池を提供する。
また、請求項4に記載したように前記放熱促進部は、波形の変形で形成されている請求項2に記載の燃料電池を提供する。
また、請求項5に記載したように前記放熱促進部は、表面をディンプル状に窪ませて形成されている請求項2に記載の燃料電池を提供する。
また、請求項6に記載したように、前記断熱容器と前記送電ケーブルとを一つのケーシングに納めると共に該ケーシング内に空冷用の循環ファンを設置し、その循環ファンの風が直接当たる位置に前記放熱部を配置するようにした請求項1〜5の何れか1項に記載の燃料電池を提供する。
また、請求項7に記載したように前記ケーブル接合部は、前記送電ケーブルの前記導電部と密閉状態で固着されている請求項1〜6の何れか1項に記載の燃料電池を提供する。
Moreover, as described in
Moreover, as described in
Further, as described in claim 4, the heat dissipation promoting portion is provided with a fuel cell according to
In addition, as described in
In addition, as described in
Moreover, as described in
本発明の燃料電池は、端子金具のキャップ状のケーブル接合部と接続部との間に放熱部を設けたことにより、発電ユニットの発電時の高熱が適度に放熱されてケーブル接合部に伝わるため、該ケーブル接合部と送電ケーブルの導電部の熱膨張が抑制される。したがって、高温環境下でもケーブル接合部と送電ケーブルの導電部との密閉性が保たれるため、導電部が高温の酸化ガスに触れて酸化したり、発電ユニットからの微小な漏洩ガスがあってもそれによる腐食の可能性が少なくなる。よって、発電ユニットから電流を取り出す送電経路の経時的な電気抵抗の上昇が生じ難い。 In the fuel cell of the present invention, since the heat radiating portion is provided between the cap-shaped cable joint portion of the terminal fitting and the connection portion, high heat at the time of power generation of the power generation unit is appropriately radiated and transmitted to the cable joint portion. The thermal expansion of the cable joint and the conductive portion of the power transmission cable is suppressed. Therefore, the cable joint and the conductive part of the power transmission cable are kept hermetically sealed even in a high-temperature environment, so that the conductive part is exposed to high-temperature oxidizing gas to oxidize or there is a minute leak gas from the power generation unit. This reduces the possibility of corrosion. Therefore, it is difficult for the electrical resistance to increase with time in the power transmission path for extracting current from the power generation unit.
また、端子金具の放熱部は、請求項2に記載したように、放熱性を高めるために加工された放熱促進部を有するものとすることで、別途冷却フィン等を設ける場合に比べ、コンパクトにすることができる。また、放熱促進部は、請求項3に記載したように貫通穴で形成するか、請求項4に記載したように波形の変形で形成するか、請求項5に記載したようにディンプル状に窪ませて形成することができる。
Further, as described in
また、高温の燃料電池は、断熱容器と送電ケーブルが一つのケーシングに収められていて該ケーシング内に空冷用の循環ファンが設けられているが、この循環ファンの風を請求項6に記載したように端子金具の放熱部に直接当たるようにすることで、特別な装置や部品を追加することなく、端子金具の確実な冷却が安価に行える。 Further, in the high-temperature fuel cell, the heat insulating container and the power transmission cable are housed in one casing, and a circulation fan for air cooling is provided in the casing. As described above, by directly contacting the heat radiating portion of the terminal fitting, the terminal fitting can be reliably cooled at low cost without adding a special device or component.
また、請求項7の燃料電池は、ケーブル接合部が送電ケーブルの導体部と密閉状態、つまりケーブル接合部の端面と送電ケーブルの絶縁被覆材の端面同士の間についても気密が保たれる状態で固着されているため、さらに確実に送電ケーブルの導体部とケーブル接合部の密閉が保たれる。
Further, in the fuel cell according to
以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
燃料電池1は、発電の最小単位である燃料電池セル2,2…を複数枚積層して発電ユニット3(「燃料電池スタック」ともいう。)を形成し、その発電ユニット3を断熱容器4で囲ったものであり、高温で発電を行う例えばZrO2系セラミックを電解質5とするSOFCである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The
[燃料電池セル]
前記燃料電池セル2は、平面視正方形の板形状であり、図3の分解斜視図に示したように、上下両面に位置する一対のインターコネクタ6,7と、上下のインターコネクタ6,7のほぼ中間に位置する電解質5と、該電解質5の前記上のインターコネクタ6の内面(下面)に対向する面に形成された空気極8と、該空気極8と上のインターコネクタ6との間に形成された空気室9と、該空気室9の内部に配置され空気極8と上のインターコネクタ6とを電気的に接続する空気極集電体10と、前記電解質5の反対面、すなわち下のインターコネクタ7の内面(上面)に対向する面に形成された燃料極11と、該燃料極11と下のインターコネクタ7との間に形成された燃料室12と、該燃料室12の内部に配置され燃料極11と下のインターコネクタ7とを電気的に接続する燃料極集電体13と、を有する公知のものである。
[Fuel battery cell]
The
各燃料電池セル2には、酸化ガスたる空気が空気用のガス供給路14から空気室9に供給され、その空気が空気室9を通って空気用のガス排出路15から排出され、また、燃料ガスが燃料用のガス供給路16から燃料室12に供給され、その燃料ガスが燃料室12を通って燃料用のガス排出路17から排出される。
In each
[発電ユニット]
発電ユニット3は、前記燃料電池セル2,2…を複数枚積層したものであり、その積層体の上下を導電性のエンドプレート18a,18bで挟んで各コーナーに通した締付け部材19a〜19dたるボルトとナットで固定したものである。なお、積層状態にある燃料電池セル2,2…のインターコネクタ6,7同士が密着する部分では、一枚のインターコネクタ(6又は7)を上下の燃料電池セル2,2で共有するようになっている。また、締付け部材19a〜19dの上端は、前記断熱容器4の外部に突出して該断熱容器4にナット20a〜20dで取り付けられている。
[Power generation unit]
The
また、発電ユニット3には、燃料電池セル2の空気用のガス供給路14とガス排出路15に連通して断熱容器4の外に突き出るガス供給管21とガス排出管22並びに燃料用のガス供給路16とガス排出路17に連通して断熱容器4の外に突き出るガス供給管23とガス排出管24が突設されている。
Further, the
[発電]
実施形態のようなSOFCの燃料電池の場合、断熱容器4の内部を700℃〜1000℃に昇温させて空気と燃料ガスをそれぞれ空気用のガス供給管21と燃料用のガス供給管23に供給すると、それぞれのガス供給路14,16を介して各ガスが空気室9と燃料室12に充満し、それらが空気極8と電解質5と燃料極11を介して反応を起こすため、空気極8を正極、燃料極11を負極とする直流の電気エネルギが発生する。なお、燃料電池セル2内で電気エネルギが発生する原理は周知であるため説明を省略する。
そして、空気室9と燃料室12で反応した後の各ガスは、それぞれがガス排出路15,17を通ってガス排出管22,24から外部に排出される。
[Power generation]
In the case of the SOFC fuel cell as in the embodiment, the inside of the heat insulating container 4 is heated to 700 ° C. to 1000 ° C., and the air and the fuel gas are respectively supplied to the air
Each gas after reacting in the air chamber 9 and the
前記のように空気極14は、空気極集電体10を介して上のインターコネクタ12に電気的に接続され、一方、燃料極15は、燃料極集電体13を介して下のインターコネクタ7に電気的に接続されており、また、発電ユニット3は複数の燃料電池セル2,2…を積層して直列に接続された状態であるから、上のエンドプレート18aが正極で、下のエンドプレート18bが負極になる。
As described above, the
実施形態の燃料電池1は、発電ユニット3のコーナーに通した四つの締付け部材19a〜19dのうちの一つの締付け部材19aのみが上のエンドプレート18aに電気的に接続されており、また、別の一つの締付け部材19bのみが下のエンドプレート18bに電気的に接続されている。よって、この二つの締付け部材19a,19bが、発電ユニット3で発電した電気を断熱容器4の外に取り出す導電性の電流取り出し部材19a,19bを構成する。
In the
燃料電池1は、上記の発電ユニット3と断熱容器4の他に、前記電流取り出し部材19a,19bに接続される端子金具25と、その端子金具25に接続される送電ケーブル26と、を備えている。
The
[送電ケーブル]
送電ケーブル26は、例えば塩化ビニール等の樹脂製の絶縁被覆材26aの中に例えば銅線等の導電部26bを通した公知のものである。
[Transmission cable]
The
[端子金具]
端子金具25は、全体がほぼ羽子板形状で、例えば銅に錫メッキ又は亜鉛メッキを施した導電部品である。この端子金具25は、羽子板の柄の部分に相当するケーブル接合部27と、羽子板の板の部分に相当する接続部28と、を有し、さらに該接続部28と前記ケーブル接合部27との間に放熱部29を設けてなる。
[Terminal bracket]
The
[端子金具・ケーブル接合部]
前記ケーブル接合部27は、送電ケーブル26の絶縁被覆材26aを除去して剥き出し状態になっている導電部26bにキャップ状に被さる封止状態で該送電ケーブル26に固着されている。また、ケーブル接合部27は、送電ケーブル26の導電部26bを締め付けるようにその外周を加締めることにより、該導電部26bとの密閉性が確保されるようになっている。
なお、本実施形態では、このようにケーブル接合部27と導電部26bとの密閉性が確保されていれば、ケーブル接合部27の端面と送電ケーブル26の絶縁被覆材26aの端面同士の間tは緩い封止状態でも十分に効果を発揮するが、より好ましくはケーブル接合部27の端面と送電ケーブル26の絶縁被覆材26aの端面同士の間tについても気密が保たれる封止状態、つまり密閉状態にするのがよい。そうすることによりケーブル接合部27と導電部26bとの密閉性を二重に高めることができると共に導電部26bが高温の酸化ガスや発電ユニット3から漏れ出ることがある微小な漏洩ガスにも晒されにくくなり、腐食等による劣化のおそれも減少する。
[Terminal bracket / Cable joint]
The cable
In this embodiment, if the sealing property between the cable
[端子金具・接続部]
羽子板の板の部分に相当する接続部28は、前記電流取り出し部材19a,19bに連結される接続穴28aを有する。この接続穴28aは、電流取り出し部材19a,19bを構成する前記ボルトが通るように形成されており、該電流取り出し部材19a,19bに対して図1、図8に示したナット20a,20bで固定される。
[Terminal bracket / connection]
The
[端子金具・放熱部]
端子金具25の放熱部29は、前記接続部28と前記ケーブル接合部27との間に形成されており、最も簡単な形態としては距離を長くして十分な放熱面積を確保し、最終的にケーブル接合部27への伝熱量が抑制されるようにすればよい。
もっとも、そうした場合には端子金具25が大きくなるため、放熱部29には放熱性を高めるために加工された放熱促進部29aを設けるのが好ましい。
実施形態の放熱促進部29aは、図4(a),(b)に示したように貫通穴で形成されている。もちろん放熱促進部29aの形態はこれに限定されず、例えば図5に示したように面方向の波形の変形で形成するか、図6に示したように幅方向の波形の変形で形成してもよい。さらには図7(a),(b)に示したように表面をディンプル状に窪ませて形成するか或はこれらの全てを適宜に組み合わせて形成してもよい。
[Terminal bracket / Heat dissipation part]
The
However, since the terminal metal fitting 25 becomes large in such a case, it is preferable to provide the
As shown in FIGS. 4A and 4B, the heat
以上のように構成される燃料電池1は、図8に示したように、発電電力を商用変換系統に供給するためのパワーコンディショナー30に前記送電ケーブル26を介して接続されており、該パワーコンディショナー30と一緒に箱型のケーシング31内に収められている。なお、送電ケーブル26のパワーコンディショナー30側の端部には、前記放熱部29を有しない既存の端子金具32が取り付けられている。
前記ケーシング31内には空冷用の循環ファン33が設置されており、その循環ファン33の風向きが前記端子金具25の放熱部29に直接当たるように設定されている。
As shown in FIG. 8, the
A circulating
実施形態の燃料電池1は以上のように構成されているため、発電ユニット3の発電時の高熱が、電流取り出し部材19a,19bから端子金具25の接続部28に伝わるが、端子金具25の放熱部29で適度に放熱されてケーブル接合部27に伝わるため、該ケーブル接合部27と送電ケーブル26の導電部26bの熱膨張が抑制される。したがって、高温環境下でもケーブル接合部27と送電ケーブル26の導電部26bとの密閉性が保たれるため、送電ケーブル26の導電部26bが高温の酸化ガスに触れて酸化したり、発電ユニット3からの微小な漏洩ガスがあってもそれによる腐食の可能性が少なくなる。
Since the
以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では燃料電池1としてSOFCを例示したが、それ以外でも約500℃以上の高温で発電を行う発電ユニット3を有する燃料電池に対して本発明の端子金具25は有用性を発揮する。
また、実施形態では電流取り出し部材19a,19bを発電ユニット3の締付け部材19a,19bで形成したが、前記エンドプレート18a,18bに突片を形成して該突片を電流取り出し部材にしてもよい。
The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is of course not limited to the above embodiments. For example, although the SOFC is exemplified as the
In the embodiment, the
1 …燃料電池
3 …発電ユニット
4 …断熱容器
19a,19b …電流取り出し部材
25 …端子金具
26 …送電ケーブル
26b …導電部
27 …ケーブル接合部
28 …接続部
29 …放熱部
29a …放熱促進部
31 …ケーシング
33 …循環ファン
DESCRIPTION OF
Claims (7)
その発電ユニットを囲う断熱容器と、
前記発電ユニットで発電した電気を前記断熱容器の外に取り出す導電性の電流取り出し部材と、
前記断熱容器の外で導電性の端子金具を介して前記電流取り出し部材に接続される送電ケーブルと、を備える燃料電池において、
前記端子金具は、
前記送電ケーブルの導電部にキャップ状に被さり封止状態で該送電ケーブルに固着されるケーブル接合部と、
前記電流取り出し部材に連結される接続部と、を有し、
前記端子金具の前記ケーブル接合部と前記接続部との間に放熱部を設けてなることを特徴とする燃料電池。 A power generation unit that generates power at a high temperature;
An insulated container surrounding the power generation unit,
A conductive current extraction member for extracting electricity generated by the power generation unit to the outside of the heat insulation container;
In a fuel cell comprising: a power transmission cable connected to the current extraction member via a conductive terminal fitting outside the heat insulating container;
The terminal fitting is
A cable joint that covers the conductive portion of the power transmission cable in a cap shape and is fixed to the power transmission cable in a sealed state;
A connection portion coupled to the current extraction member,
A fuel cell, wherein a heat radiation portion is provided between the cable joint portion and the connection portion of the terminal fitting.
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