JP6599709B2 - セルスタック、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

Description

本発明は、セルスタック、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

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（空気）とを用いて電力を得ることができるセルの１種である燃料電池セルが複数配列されてなるセルスタックを収納容器内に収納してなるモジュールや、モジュールを外装ケース内に収納してなるモジュール収容装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このセルスタックにおいては、例えば、複数のセル間に導電部材が配置されることによって、セル同士が電気的に直列に接続されている。

特開２０１１−１７５８５４号公報

しかしながら、セルスタックの製造時又は使用時にセルが変形することによって導電部材とセルとの接続信頼性が低下しやすいという問題があった。

それゆえ、本発明は、導電部材とセルとの接続信頼性の低下を抑制したセルスタック、それを備えるモジュールおよびモジュール収容装置を提供することにある。

本発明のセルスタックは、長手方向に延びる複数のセルと、該複数のセル間に配置された導電部材とを有し、該導電部材は、前記セルに導電性接合材を介して接続される複数の導電片と、隣接する前記導電片の中央部を連結する複数の連結片と、前記複数の導電片の一端同士を連結している連結部と、を有しており、前記複数の連結片のうち少なくとも二つは、他の連結片よりも、前記セルに近接しているとともに前記導電性接合材との接触面積が大きい第１連結片であることを特徴とする。

また、本発明のセルスタック装置は、上述のセルスタックと、前記複数のセルの一方側端部が固定されているとともに、前記複数のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、を有しており、前記導電部材の他方側端部に、前記第１連結片および前記一対の第１導電片が設けられていることを特徴とする。

また、本発明のセルスタック装置は、上述のセルスタックと、前記複数のセルの一方側端部が固定されているとともに、前記複数のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、を有しており、前記導電部材の一方側端部および他方側端部に、前記第１連結片および前記一対の第１導電片が設けられていることを特徴とする。

また、本発明のモジュールは、収納容器と、該収納容器に収納された上述のセルスタック装置と、を有することを特徴とする。

さらに、本発明のモジュール収容装置は、外装ケースと、該外装ケース内に収納された上述のモジュールと、前記外装ケース内に収納されており、前記モジュールの運転を行な
うための補機と、を有することを特徴とする。

本発明のセルスタックは、導電部材とセルとの接続信頼性の低下を抑制させることができる。

また、本発明のセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置は、導電部材とセルとの接続信頼性の低下を抑制したものとすることができる。

セルの実施形態の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は側面図である。 本実施形態の一例であるセルスタックを有するセルスタック装置を示す図で、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。 図２に示す導電部材を抜粋して示す平面図である。 （ａ）は図３に示すＡ−Ａ線における断面図であり、（ｂ）は図３に示すＢ−Ｂ線における断面図である。 導電部材とセルとの接続状態を示しており、（ａ）は第１連結片の近傍における断面図であり、（ｂ）は他の連結片の近傍における断面図である。 導電部材の他の実施形態を示す平面図である。 図６に示す導電部材のＡ−Ａ線における断面図である。 図２に示すセルスタック装置を有するモジュールを分解して示す外観斜視図である。 図８に示すモジュールを有するモジュール収容装置を示す斜視図である。

図１〜９を用いて、セル、セルスタック、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。

（セル）
以下において、セルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。

図１は、セルの実施形態の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は側面図である。なお、両図面において、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

図１に示す例において、セル１は中空平板型で、長手方向に延びる細長い板状である。図１（ｂ）に示すように、セル１の全体を正面から見た形状は、例えば、長手方向Ｌの辺の長さが５〜５０ｃｍで、この長手方向に直交する幅方向Ｗの長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚さは１〜５ｍｍである。

図１に示すように、セル１は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２をもつ柱状の導電性支持基板２（以下、支持基板２と略す場合がある）の一方の平坦面ｎ１上に内側電極３、固体電解質層４及び外側電極５を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。

図１に示す例においては、内側電極３を燃料極とし、外側電極５を空気極として説明する。

また、図１に示す例においては、セル１の他方の平坦面ｎ２上にはインターコネクタ６が設けられている。

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａが内部に設けられており、図１においては６つのガス流路２ａが設けられた例を示している。支持基板２としては、燃料ガスを燃料極３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６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。支持基板２は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物からなる。例えば、鉄族金属成分はＮｉおよび／またはＮｉＯであって、無機酸化物は特定の希土類元素酸化物である。

燃料極３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４は、燃料極３、空気極５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。

空気極５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。空気極５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６は、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６は支持基板２に設けられたガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２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。

（セルスタック）
次に、上述したセルを用いた本実施形態の一例であるセルスタックについて図２を用いて説明する。

図２は、本実施形態の一例であるセルスタックを有するセルスタック装置を示す図で、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。

セルスタック装置１０は、セルスタック１８と、マニホールド７とを備える。セルスタック１８は、配列された複数のセル１を有する。マニホールド７には、複数のセル１の下端部がシール材（不図示）にて固定されているとともに、マニホールド７は複数のセル１に反応ガスを供給する。

また、セルスタック１８は、図２（ａ）に示すように、隣接するセル１の間に介在する導電部材９を有している。この導電部材９は、隣接するセル１の間（より詳細には、一方のセル１の燃料極３と他方のセル１の空気極５）を電気的に直列に接続する。

また、図２（ｂ）に示すように、セル１と導電部材９とを接合するために、導電性セラミックス等からなる導電性接合材１３が設けられている。導電性セラミックスとしては、空気極５と同様の材料を用いるとよい。導電性接合材１３を空気極５と同じ材料とした場合、空気極５と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができる。具体的には、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３等を用いることができる。

また、図２（ａ）に示す例のように、複数個のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１の外側に、端部導電部材８が設けられている。

この端部導電部材８は、セルスタック１８の外側に突出する導電部を有している。導電部は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す機能を有する。

（導電部材）
次に、導電部材９の詳細な構造について図３〜６を用いて説明する。

図３は、図２に示す導電部材を抜粋して示す平面図である。図４（ａ）は、図３に示すＡ−Ａ線における断面図であり、図４（ｂ）は、図３に示すＢ−Ｂ線における断面図である。図５は導電部材とセルとの接続状態を示しており、（ａ）は第１連結片の近傍における断面図であり、（ｂ）は他の連結片の近傍における断面図である。

図２〜４に示すように、導電部材９においては、複数の導電片９１ｂ、９２ｂが、セル１に導電性接合材１３を介して接続されている。複数の連結片９１ｅ、９２ｅは、隣接する導電片９１ｂ、９２ｂの中央部を連結している。また、複数の連結片９１ｅ、９２ｅもまた、導電性接合材１３を介してセル１に接続されている。

一方の連結部９ｃは、複数の連結片９１ｅ、９２ｅの一端同士を連結している。また、他方の連結部９ｄは、複数の連結片９１ｅ、９２ｅの他端同士を連結している。

導電部材９は、耐熱性および導電性を有する必要があり、例えば合金または導電性セラミックスやサーメット等により作製することができる。特には、導電部材９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の合金やＮｉ−Ｃｒの合金等により作製できる。

ところで、セルスタック１８の製造時又は使用時にセル１が変形することがある。変形の種類としては、例えば、セル１の配列方向に沿った反り、及び、上下方向の伸びである。このようなセルの変形が起こった場合、セル１と導電部材９が剥離するおそれがあった。よって、接続信頼性が低下するおそれがあった。

そこで、複数の連結片９１ｅ、９２ｅのうち少なくとも二つは、他の連結片９２ｅよりも、セル１に近接している第１連結片９１ｅとした。この構成により、図５に示すように、第１連結片９１ｅが導電性接合材１３と接触する面積が他の連結片９２ｅよりも増え、より強固にセル１に接続される。従って、導電部材９のセル１に対する接合力が向上する。一方で、第１連結片９１ｅ同士の間の領域では、第１連結片９１ｅに比べてセル１との接合力が弱くなる。従って、第１連結片９１ｅ同士の間の領域はセル１の変形に柔軟に追従することができる。よって、第１連結片９１ｅにおいてセル１と強固に接続しているとともに、それ以外の領域でセル１の変形を吸収することができるので、導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。

また、図３に示す例のように、第１連結片９１ｅで接続されている一対の導電片は、他
の導電片９２ｅよりも、セル１に近接している一対の第１導電片９１ｂであるとよい。これにより、一対の第１導電片９１ｂもまた、第１連結片９１ｅと同様にセル１に強固に接続される。従って、導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。

また、図３に示す例のように、導電部材９は長手方向に延びており、長手方向の一方側および他方側のそれぞれに、第１連結片９１ｅおよび一対の第１導電片９１ｂが設けられているとよい。この構成によれば、第１連結片９１ｅおよび一対の第１導電片９１ｂによって強固に接続された部分が長手方向にそれぞれ離間して配置されていることとなる。よって、導電部材９がセル１に強固に接続される。従って、導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。

なお、長手方向の一方側とは、導電部材９を長手方向に２等分した場合の一方であり、長手方向の他方側とは、導電部材９を長手方向に２等分した場合の他方である。

次に、図６、７を用いて、他の実施形態に係る導電部材９について説明する。図６は、導電部材の他の実施形態を示す平面図である。図７は、図６に示す導電部材のＡ−Ａ線における断面図である。

また、図６に示す例のように、長手方向の他方側端部（上端部）に、第１連結片９１ｅおよび一対の第１導電片９１ｂが設けられているとよい。この構成によれば、セル１のうち特に変形の大きい上端部において、第１連結片９１ｅおよび一対の第１導電片９１ｂがセル１に強固に接続されている。従って、導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。

また、図６に示す例のように、長手方向の一方側端部（下端部）および他方側端部（上端部）に、第１連結片９１ｅおよび一対の第１導電片９１ｂが設けられているとよい。この構成によれば、セル１のうち特に変形の大きい上端部と、セル１のうち特に応力の大きい下端部とのそれぞれにおいて、第１連結片９１ｅおよび一対の第１導電片９１ｂがセル１に強固に接続されている。従って、導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。

なお、長手方向の一方側端部および他方側端部とは、導電部材９を長手方向に５等分した場合の最も下端側および上端側である。

また、図７に示す例のように、平面視で一対の第１導電片９１ｅは、セル１に向かって湾曲しているとよい。この構成によれば、第１導電片９１ｅがさらに導電性接合材１３内部の奥深くにまで食い込む。よって、セル１と導電部材９との接合力が向上する。従って、導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。また、このように湾曲していることにより、セル１が変形した場合に第１導電片９１ｅが撓んでセル１の変形を吸収することができる。従って、さらに導電部材９がセル１から剥離することを抑制することができる。

ここで、導電部材９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形成する。そして、導電片となるスリット間の部位を一方側および他方側に交互に引き出すことにより、図３〜図７に示す導電部材９を作製することができる。ここで、プレス加工を施す際に、プレスに用いる金型の内部形状を、所望の第１連結片、第１導電片を含んだ形状としておく。これによって、プレス加工後の導電部材９に所望の第１連結片、第１導電片を設けることができる。

（モジュール）
次に、上述したセルスタック装置１０を収納容器２１内に収納してなるモジュール２０について図８を用いて説明する。

図８に示すモジュール２０は、セル１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２２をセルスタック１８の上方に配置している。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２３を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７を介してセル１の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図８においては、収納容器２１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および改質器２２を後方に取り出した状態を示している。

このようなモジュール２０においては、導電部材９とセル１との接続信頼性の低下を抑制したセルスタック１８を備えるセルスタック装置１０を収納してなることから、導電部材９とセル１との接続信頼性の低下を抑制したモジュール２０とすることができる。

（モジュール収容装置）
次に、上述したモジュール２０と、モジュール２０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モジュール収容装置２５について図９を用いて説明する。

図９に示すモジュール収容装置２５は、支柱２６と外装板２７から構成される外装ケース内を仕切板２８により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２０を収納するモジュール収納室２９とし、下方側をモジュール２０を作動させるための補機を収納する補機収納室３０として構成されている。なお、補機収納室３０に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板２８には、補機収納室３０の空気をモジュール収納室２９側に流すための空気流通口３１が設けられており、モジュール収納室２９を構成する外装板２７の一部に、モジュール収納室２９内の空気を排気するための排気口３２が設けられている。

このようなモジュール収容装置では、導電部材９とセル１との接続信頼性の低下を抑制したセルスタック１８を備えるモジュール２０を収納してなることから、導電部材９とセル１との接続信頼性の低下を抑制したモジュール収容装置２５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、上記実施形態では、「セル」、「セルスタック」、「セルスタック装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ_２）を生成する電解セル、電解セルスタック、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。

１：セル
９：導電部材
１０：セルスタック装置
１８：セルスタック
２０：モジュール
２５：モジュール収容装置

Claims (8)

1. 長手方向に延びる複数のセルと、
   該複数のセル間に配置された導電部材とを有し、
   該導電部材は、
   前記セルに導電性接合材を介して接続される複数の導電片と、
   隣接する前記導電片の中央部を連結する複数の連結片と、
   前記複数の導電片の一端同士を連結している連結部と、を有しており、
   前記複数の連結片のうち少なくとも二つは、他の連結片よりも、前記セルに近接しているとともに前記導電性接合材との接触面積が大きい第１連結片である
   セルスタック。
2. 前記第１連結片で接続されている一対の導電片は、他の導電片よりも、前記セルに近接している一対の第１導電片である
   請求項１に記載のセルスタック。
3. 平面視で前記一対の第１導電片は、前記セルに向かって湾曲している
   請求項２に記載のセルスタック。
4. 前記導電部材は長手方向に延びており、
   該長手方向の一方側および他方側のそれぞれに、前記第１連結片および前記一対の第１導電片が設けられている
   請求項２又は請求項３に記載のセルスタック。
5. 請求項２又は請求項３に記載のセルスタックと、
   前記複数のセルの一方側端部が固定されているとともに、前記複数のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、を有しており、
   前記導電部材の他方側端部に、前記第１連結片および前記一対の第１導電片が設けられている
   セルスタック装置。
6. 請求項４に記載のセルスタックと、
   前記複数のセルの一方側端部が固定されているとともに、前記複数のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、を有しており、
   前記導電部材の一方側端部および他方側端部に、前記第１連結片および前記一対の第１導電片が設けられている
   セルスタック装置。
7. 収納容器と、
   該収納容器に収納された、請求項５又は請求項６に記載のセルスタック装置と、を有する
   モジュール。
8. 外装ケースと、
   該外装ケース内に収納された、請求項７に記載のモジュールと、
   前記外装ケース内に収納されており、前記モジュールの運転を行なうための補機と、を有する
   モジュール収容装置。

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