JP6626660B2

JP6626660B2 - セルスタック、モジュールおよびモジュール収容装置

Info

Publication number: JP6626660B2
Application number: JP2015162973A
Authority: JP
Inventors: 亨祐山内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: JP2017041380A

Description

本発明は、セルスタック、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た。

特開２００４−２２８０５０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、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、それぞれが対向するように配列された複数個のセルと、前記セル間に配置され、前記セル同士を電気的に接続しており、線状部材を螺旋状に巻回してなる導電部材と、を具備し、前記導電部材は、前記セルに当接する当接部と、前記セル間に位置する非当接部とを有しており、前記当接部は、前記セルと接合材により接合され、
前記非当接部は、前記導電部材により形成される空間の内側に向けて屈曲している屈曲部を有しており、平面視で前記当接部から前記屈曲部の頂点までの前記セルの配列方向に沿った長さをａ、前記当接部の端から前記屈曲部の頂点までの前記当接部の長さ方向に沿った長さをｂとしたとき、ａ／ｂ≦１である。

また、本発明のモジュールは、収納容器内に、上記のセルスタックを収納してな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、外装ケース内に、上記のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してな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することができる。

また、本発明のモジュールは、導電部材とセルとの接続信頼性の低下を抑制したモジュールとすることができる。

さらに、本発明の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
したモジュール収容装置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。本発明の一実施形態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。（ａ）はセルスタック装置の側面の部分拡大図であり、（ｂ）は（ａ）で示した導電部材の平面図である。図３に示すセルスタック装置を収納容器に収納してなるモジュールを分解して示す外観斜視図である。図４に示すモジュールを外装ケースに収納してなるモジュール収容装置を示す斜視図である。

図１〜５を用いて、セル、セルスタック、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、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、長さ方向Ｌの辺の長さが５〜５０ｃｍで、この長さ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。セル１において、固体電解質層４を介して燃料極３と、空気極５とが対向する部位が発電する部位となる。

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。具体的には、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３等を用いることができる。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に形成されたガス流路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発明の一実施形態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、本発明の一実施形態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、複数個のセル１が配列されてなる。マニホールド７には、複数個のセル１の一端がシール材（不図示）にて固定されているとともに、複数個のセル１に反応ガスを供給する。

また、セルスタック１８は、図２（ａ）に示す例のように、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ことができ、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との接合強度が高くなるため空気極５と同じ材料であることが好ましい。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を用いて説明する。

図３（ａ）はセルスタック装置の側面の部分拡大図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）で示した導電部材の平面図である。

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。

導電部材９を、Ｃｒを含有する合金で作製する場合には、合金に含まれるＣｒがセル１に拡散することを低減するために、Ｃｒ拡散抑制層（図示せず）を設けてもよい。Ｃｒ拡散抑制層としては、Ｚｎの酸化物、あるいはＬａおよびＳｒを含有するペロブスカイト型酸化物を用いることができる。

導電部材９のセル１の長手方向に沿った長さは、セル１における空気極５の長手方向における長さと同じか、それ以上であることが好ましい。この構成により、セル１の発電部で発電された電流を効率よく集電することができる。

図３（ｂ）に示すように、導電部材９は、セル１に当接する当接部９ａと、セル１間に位置する非当接部９ｂとを有しており、非当接部９ｂは、導電部材９により形成される空間の内側に向けて屈曲している屈曲部９ｃを有している。

図３（ｂ）に示すように、導電部材９は、平面視で鼓形状となっている。

また、図３に示すように、導電部材９は、平面視で鼓形状が螺旋状に形成されている。

また、導電部材９を形成する線状部材の断面は円形状、楕円形状、矩形状とされており、特に、セル１との当接面積を増加させるためには楕円形状、あるいは矩形状が望ましい。

この導電部材９は、セル１の配列方向及びセル１の長さ方向への弾性を有している。よって、温度変化によるセル１間の距離の変化、およびセル１の長さの変化にも柔軟に追随する。よって、発電、停止に伴う熱サイクルを繰り返してもセル１間の電気的接続を保つことができる。また、同様の理由により、振動などによる断線が起こることもない。

屈曲部９ｃはセル１の配列方向への弾性を有するとともに、セル１間の距離が短くなった場合には、それに合わせて屈曲部９ｃが導電部材９の内側に移動することで、例えば、隣り合う導電部材９、又は隣り合うセル１と干渉してショートする可能性を抑制することができる。

ところで、セルスタック１８の製造時又は使用時に、温度変化によりセル１間の距離が短くなった場合に、非当接部９ｂの屈曲部９ｃが十分に屈曲しないことがあった。その場合、屈曲部９ｃと接続されている当接部９ａの両端で変形が阻害され、当接部９ａの中央
部のみがセル１の主面から浮き上がるように変形することになる。その結果、当接部９ａの中央部のみが変形することになるので、当接部９ａに反りが生じてセル１から剥離する可能性があった。

そこで、平面視で当接部９ａから屈曲部９ｃの頂点までのセル１の配列方向に沿った長さをａ、当接部９ａの端から屈曲部９ｃの頂点までの当接部９ａの長さ方向に沿った長さをｂとしたとき、ａ／ｂ≦１としている。

この構成により、屈曲部９ｃがセル１の配列方向に沿って屈曲しやすくなる。従って、屈曲部９ｃが導電部材９の変形を阻害することを抑制し、当接部９ａに反りが生じることを抑制することができる。従って、当接部９ａがセル１から剥離することを抑制し、導電部材９とセル１との接続信頼性の低下を抑制することができる。

また、導電部材９においては、ａ／ｂの値が０．２以上０．６以下であるとよい。０．２以上である場合には、セル１の配列方向における導電部材９の変形幅が確保される。従って、セル１が変形することによりセル１間の間隔が変化した場合であっても、導電部材９が変形してセル１の変形に柔軟に対応できる。従って、導電部材９とセル１との剥離を抑制できる。０．６以下である場合には、導電部材９がさらに屈曲しやすくなりセル１との剥離を抑制できる。

また、非当接部９ｂは当接部９ａよりも弾性が低くなっているとよい。例えば、非当接部９ｂを構成する線状部材の断面積が、当接部９ａを構成する線状部材の断面積よりも小さい構成である。また、非当接部９ｂが、当接部９ａよりも弾性が低い材料である。これらのような構成によれば、非当接部９ｂの屈曲部９ｃはさらに屈曲しやすくなる。

また、当接部９ａの長さがセル１の主面の幅方向の長さ以下である場合には、当接部９ａがセル１と当接する面は、図３に示すように、平坦であるとよい。この場合には、セル１の変形を導電部材９で吸収しやすくなる。また、当接部９ａの一部が当接し、他の部分が当接していないような構成と比べて、セル１からの剥離を抑制することができる。

また、図３に示す例のように、当接部９ａの長さをｃとしたとき、ｂ／ｃ≦０．７であるとよい。この場合には、屈曲部９ｃが屈曲した場合であっても屈曲部９ｃが当接部９ａよりも外側にはみ出すことを抑制することができる。従って、例えばセルスタック１８を２列配列している場合等に、導電部材９が隣のセルスタック１８のセル１又は導電部材９と接触しショートすることを抑制することができる。

また、ショート抑制という観点からすると、図２、３に示す例のように、当接部９ａの長さｃは、セル１の幅よりも短いとよい。この場合には、当接部９ａの両端部がスタック１８の外側にはみ出ることを抑制することができる。従って、隣のスタック１８とのショートを抑制することができる。

また、図３に示す例のように、２ｂ≦ｃであるとよい。この場合には、導電部材９が屈曲した場合に、両側の屈曲部９ｃ同士が平面視で重なることを抑制することができる。従って、導電部材９によって形成される内部空間にてセル１の長さ方向に空気等の反応ガスを効率良く流すことができる。従って、発電効率を向上させることができる。

（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４を用いて説明する。

図４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４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５を用いて説明する。

図５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。

（サンプルの作製）
上述したセルスタック装置（図２を参照）について、導電部材のａ／ｂの値が異なる複数のサンプルを作製した。具体的には、表１に示すように、７個のサンプル（Ｎ＝７）を作製した。

セルスタック装置の各サンプルは、２５個のセルを含む。各サンプルにて使用したセルの形状は図１、２と同様の板形状とした。セルの長手方向の長さが２０ｃｍ、セルの幅方
向の長さが２６ｍｍ、厚みが２ｍｍであった。各セル間に設けられた導電部材の形状は図２及び図３と同様の形状とした。導電部材のセルの長手方向の長さが１６ｃｍ、セルの幅方向の長さ（ｃ）が２３ｍｍであった。

また、導電性接合材はＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３を使用し、導電部材としてはＦｅ−Ｃｒ合金を使用した。

（耐久性能試験）
まず、各サンプルについて、１０００℃で１０００時間の作動を行った後、セルと導電部材とが剥離しているか否かをＳＥＭで観察し、その結果を表１に示した。表１において、◎、○、×はセルと剥離した導電部材の本数がそれぞれ０本、１〜２本、４〜６本であることを意味する。

（耐久性能試験結果）
表１から明らかなように、試料Ｎｏ．７では、剥離した導電部材の本数が多かった。これは、ａ／ｂの値が１より大きかったからである。

表１から、試料Ｎｏ．１、５、６では、試料Ｎｏ．７と比較して、剥離した導電部材の本数が少なかった。これは、ａ／ｂの値が１以下だったからである。

表１から、試料Ｎｏ．２、３、４では、試料Ｎｏ．１、５、６と比較して、剥離した導電部材の本数が少なかった。これは、ａ／ｂの値が０．２以上０．６以下だったからである。

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

それぞれが対向するように配列された複数個のセルと、
前記セル間に配置され、前記セル同士を電気的に接続しており、線状部材を螺旋状に巻回してなる導電部材と、を具備し、
前記導電部材は、前記セルに当接する当接部と、前記セル間に位置する非当接部とを有しており、
前記当接部は、前記セルと接合材により接合され、
前記非当接部は、前記導電部材により形成される空間の内側に向けて屈曲している屈曲部を有しており、
平面視で前記当接部から前記屈曲部の頂点までの前記セルの配列方向に沿った長さをａ、前記当接部の端から前記屈曲部の頂点までの前記当接部の長さ方向に沿った長さをｂとしたとき、ａ／ｂ≦１である
セルスタック。
前記当接部の長さをｃとしたとき、ｂ／ｃ≦０．７である
請求項１に記載のセルスタック。
収納容器内に、請求項１又は請求項２に記載のセルスタックを収納してなることを特徴とするモジュール。
外装ケース内に、請求項３に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とするモジュール収容装置。