JP6687463B2

JP6687463B2 - セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置

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Publication number: JP6687463B2
Application number: JP2016100571A
Authority: JP
Inventors: 一成杉原; 光博中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: JP2017208260A

Description

本発明は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置に関する。

複数のセルを導電部材を介して立設させた状態で配列し、電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックのセルの配列方向における両端にそれぞれ配置された端部導電部材とを具備するセルスタック装置が種々提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。このセルスタック装置における端部導電部材は、板状部と、該板状部の長手方向に沿った両端にそれぞれ接続され、セルの幅方向の中央部に向けて曲がって設けられた複数の折り曲げ部と、板状部に設けられ、該板状部からセルスタックの外側に向けて設けられたリード部とを備えるものが例示されている。

特開２０１０−１９２２７３号公報

上記した従来のリード部は、板状部の下端部で、折り曲げ部が設けられた領域以外の領域に配置されていたので、効率よく電流を入出力することが困難であった。つまり、電流を外部に出力したり、電流を外部から入力することが困難であった。

それゆえ、本発明の目的は、効率よく電流を入出力することができるセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置を提供することにある。

本発明のセルスタック装置は、複数の柱状のセルを導電部材を介して立設させた状態で配列し、電気的に接続してなるセルスタックと、該セルスタックの前記セルの配列方向における両端にそれぞれ配置された端部導電部材とを具備し、該端部導電部材は、板状部と、該板状部の長手方向に沿った両端にそれぞれ接続され、前記セルの幅方向の中央部に向けて曲がって設けられた複数の折り曲げ部と、前記板状部に設けられ、該板状部から前記セルスタックの外側に向けて設けられたリード部とを有し、該リード部は、前記板状部における前記折り曲げ部が設けられた領域に設けられており、前記リード部は、前記折り曲げ部の延長線上にあることを特徴とする。

また、本発明のモジュールは、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。

さらに、本発明のモジュール収納装置は、上記のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを、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は、端部導電部材のリード部が、板状部における折り曲げ部が設けられた領域に配置されていることで、効率よく電流を入出力することができる。つまり、セルの発電によって生じた電流が、セルに接触する折り曲げ部から板状部を介してリード部に効率よく流れ、効率よく電流を外部に出力することができる。また、セルに付与する電流が、リード部から板状部を介してセルに接触する折り曲げ部に効率よく流れ、
効率よく電流を外部から入力することができる。また、このセルスタック装置を備えることで、性能が向上したセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置を提供できる。

本実施形態の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破線で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。本実施形態の端部導電部材の一例を示し、（ａ）〜（ｃ）は斜視図である。本実施形態の端部導電部材の一例を示し、（ａ）〜（ｃ）は図２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応する側面図である。本実施形態の端部導電部材の他の一例を示し、（ａ）は側面図で、（ｂ）は正面図である。本実施形態の端部導電部材の他の一例を示し、（ａ）は斜視図で、（ｂ）は正面図である。本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。本実施形態のモジュール収納装置の一例を、一部を省略して示す斜視図である。

図１〜図７を用いて、本実施形態のセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置について説明する。

図１は、本実施形態のセルスタック装置の一例を示したものであり、（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の一部を拡大した平面図であり、（ａ）で示した破線枠で囲った部分を抜粋して示している。なお、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。また、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠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。さらに、以下の説明においては、特に断りがない限り、セルとして燃料電池セルを用いて説明する。

図１に示すセルスタック装置１は、複数個のセル３を備えている。セル３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極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての酸素極層１０とを順に積層してなる柱状（中空平板状）とされている。さらに、セル３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、セル３に燃料ガス（反応ガス）を流すためのガス流路１３が複数設けられている。

さらに、この隣接するセル３間に導電部材４を介して電気的に直列に接続してセルスタック２とされている。セルスタック２は、各セル３の下端部が、セル３に燃料ガスを供給するマニホールド６に固定されている。また、セルスタック装置１は、セル３の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）の両端からセルスタック２を挟持するように、マニホールド６に下端が固定された端部導電部材５を具備している。また、端部導電部材５は、セル３の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック２（セル３）の発電により生じる電流を引出すためのリード部５３を有している。また、リード部５３は、セルスタック装置１を収納容器内に収納する際、外部と連結させるための連結孔５５を有している。

なお、以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料極層８とし、外側電極層を酸素極層１０として説明する。

以下に、図１において示すセル３について説明する。

燃料極層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、耐還元性およ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。

また図１に示したセル３において、柱状の支持体１２は、セル３の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。そしてセル３の下端部と後述する導電部材４の下端部とが、セル３に燃料ガスを供給するマニホールド６に、例えば耐熱性に優れた接合材（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、マニホールド６内の燃料ガス室（図示せず）に通じている。

ちなみに、セル３を作製するにあたり、燃料極層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、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の特定の希土類元素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２０％以上、特に２５〜５０％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。

ここで、セル３は、燃料極層８と酸素極層１０とが固体電解質層９を介して対面している部分が発電の素子部として機能する。即ち、酸素極層１０の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体１２内のガス通路１３に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体１２に設けられているインターコネクタ１１を介して、後述する導電部材４で集電される。

図２および図３は本実施形態の端部導電部材の一例を示し、図２（ａ）〜（ｃ）は斜視図であり、図３（ａ）〜（ｃ）は図２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ対応する側面図である。

図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）に示した端部導電部材５は、板状部５１と、該板状部５１の長手方向Ｌに沿った両端（言い換えれば、短手方向（セル３の幅方向Ｗ）における両端）にそれぞれ接続され、セル３の幅方向Ｗの中央部に向けて曲がって設けられた複数の折り曲げ部５２と、板状部５１に設けられ、該板状部５１からセルスタック２の外側、つまりセルスタック２と反対側に向けて設けられたリード部５３とを有している。また、図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）に示した例は、複数の折り曲げ部５２がセル３の長手方向に等間隔で設けられている例である。なお、板状部５１と折り曲げ部５２とを接合してもよいし、図２（ａ）〜（ｃ）のように板状部５１と折り曲げ部５２とを一体的に設けてもよい。また、図２（ａ）〜（ｃ）および図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、端部導電部材５は、リード部５３が、板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａに設けられている。板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａとは、板状部５１において、セル３の長手方向における折り曲げ部５２が設けられた領域を意味する。

セル３の発電によって生じた電流は、セル３に接触する折り曲げ部５２を介して板状部５１に流れ、板状部５１に設けられたリード部５３から外部に引き出される。上記のように、端部導電部材５におけるリード部５３が、板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａに設けられていることから、セル３に接触する折り曲げ部５２から、板状部５１におけるリード部５３までの電流経路が短くなり、セル３の発電によって生じた電流を効率よく外部に引き出すことができる。

図２（ａ）および図３（ａ）に示す例は、リード部５３が板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａのうちの下端部に設けられている例である。図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す例は、リード部５３が板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａのうちの中央部に設けられている例である。図２（ｃ）および図３（ｃ）に示す例は、リード部５３が板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａのうちの上端部に設けられている例である。このうち、リード部５３が、板状部５１における折り曲げ部５２が設けられた領域Ａのうちの中央部に設けられている場合や、上端部に設けられている場合には、リード部５３からより効率よく電流を外部に引き出すことができる。つまり、上述のセル３においては、温度の高い部位において発電電流が大きくなる傾向があるので、温度の高くなるセル３の中央部に対応する位置に端部導電部材５のリード部５３を設けると、リード部５３からより効率よく電流を外部に引き出すことができる。

また、図４は本実施形態の端部導電部材の他の一例を示し、（ａ）は側面図で、（ｂ）は正面図である。図４に示した端部導電部材５は、リード部５３が折り曲げ部５２の延長線上にある例を示している。これにより、セルスタック装置１の運転に伴い生じるセル３の変形に容易に追従することができ、セル３の応力を緩和できる。つまり、端部導電部材５は、比較的剛性の低い、折り曲げ部５２が接続されていない部位で変形しやすいので、折り曲げ部５２が接続されている部位、すなわち折り曲げ部５２をセル３の幅方向に延長した領域にリード部５３を設けることで、リード部５３によって、折り曲げ部５２がない部位の変形が阻害されないのでよい。

図５は本実施形態の端部導電部材の他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。図５に示した端部導電部材５は、板状部５１が貫通孔５４を有している例を示している。これにより、端部導電部材５の剛性を小さくできるため、セルスタック装置１の運転に伴い生じるセル３の変形に容易に追従することができ、セル３の応力を緩和できる
。

また、図５に示すように、板状部５１は複数の貫通孔５４を有し、貫通孔５４はセル３の長手方向Ｌに等間隔で設けられていることが好ましい。図５に示す例では、複数の貫通孔５は形状および大きさが同じで、セル３の幅方向Ｗにおける位置が同じである例を示している。これにより、端部導電部材５における剛性の低い部位が、端部導電部材５の長手方向において均等に分布することになるので、セルスタック装置１の運転に伴い生じるセル３の変形による応力を、端部導電部材５でもってほぼ均等に分散できる。

さらに、図５に示すように、貫通孔５４は、板状部５１の長手方向Ｌに沿った両端側で、かつ折り曲げ部５２に対応する位置に設けられていることが好ましい。言い換えれば、貫通孔５４は、板状部５１の、折り曲げ部５２をセル３の幅方向に延長した領域における両端側に設けていてもよい。これにより、端部導電部材５における比較的剛性の高い、折り曲げ部５２のある部位の剛性を小さくできるため、セルスタック装置１の運転に伴い生じるセル３の変形により容易に追従することができ、セル３の応力をより緩和できる。

端部導電部材５は、例えば、板状部５１の長手方向の長さが１５０ｍｍ〜１８０ｍｍ、幅方向の長さが１５ｍｍ〜２０ｍｍ、厚みが０．３ｍｍ〜１．５ｍｍである。また、リード部５３は、例えば、板状部５１からセルスタック２の外側に向けた長さが１８ｍｍ〜３０ｍｍ、幅が５ｍｍ〜１０ｍｍの長方形状である。また、図５（ａ）に示すように、折り曲げ部５２は、例えば、セル３の幅方向に沿って伸びる複数の帯状部５２１と、該帯状部５２１および板状部５１を接続する屈曲部５２２とを有する形状であり、折り曲げ部５２の幅Ｔは、３ｍｍ〜８ｍｍである。また、図５に示すような板状部５１における貫通孔５４は、例えば、直径が約１ｍｍ〜３ｍｍである。

以上説明した本実施形態の端部導電部材５の作製方法の一例について説明する。

上述の端部導電部材５を作製するにあたっては、基材として、耐食性のあるステンレス鋼を用いる。具体的には、少なくとも合金に対して４〜３０原子％のＣｒ、７０〜９６原子％のＦｅを含有する基材を用意する。

次に、基材をエッチング加工もしくはプレス加工することで、板状部と、該板状部の長手方向に沿った両端にそれぞれ接続された複数の折り曲げ部となる帯状導電部と、板状部に設けられたリード部となる部分および貫通孔とを有する端部導電部材となる。

次に、プレス曲げ加工で帯状導電部の両端をセルの幅方向の中央部に向けて曲げて、上記端部導電部材に折り曲げ部を形成する。

次に、プレス曲げ加工でリード部となる部分を、板状部からセルスタックの外側、つまりセルスタックと反対側に向けて曲げてリード部を形成する。

図６は、セルスタック装置１を収納容器内に収納してなるモジュールであるモジュール６０の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器６１の内部に、図１に示したセルスタック装置１を収納して構成されている。

なお、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６２をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器６２で生成された燃料ガスは、ガス流通管６３を介してマニホールド６に供給され、マニホールド６を介してセル３の内部に設けられたガス通路１３に供給される。

なお、図６においては、収納容器６１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６２を後方に取り出した状態を示している。図６に示したモジュール６０においては、セルスタック装置１を、収納容器６１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６２を含むものとしても良い。

また収納容器６１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材６４は、図６においてはマニホールド６に並置された一対のセルスタック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、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、セル３の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、セル３のガス通路１３より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させてセル３の上端部側で燃焼させることにより、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、セル３の上端部側にて、セル３のガス通路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、セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器６２を温めることができる。それにより、改質器６２で効率よく改質反応を行うことができる。

さらに、本実施形態のモジュール６０では、上述したセル３を用いたセルスタック装置１を収納容器６１内に収納してなることから、集電効率が高く性能が向上したモジュール６０とすることができる。

図７は、外装ケース内に図６で示したモジュール６０と、セルスタック装置１を動作させるための補機とを収納してなるモジュール収納装置である燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図７においては一部構成を省略して示している。

図７に示すモジュール収納装置７０は、支柱７５と外装板７６とから構成される外装ケース内を仕切板７７により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール６０を収納するモジュール収納室７４とし、下方側をモジュール６０を動作させるための補機類を収納する補機収納室７３として構成されている。なお、補機収納室７３に収納する補機類は省略して示している。

また、仕切板７７には、補機収納室７３の空気をモジュール収納室７４側に流すための空気流通口７１が設けられており、モジュール収納室７４を構成する外装板７６の一部に、モジュール収納室７４内の空気を排気するための排気口７２が設けられている。

このようなモジュール収納装置７０においては、上述したように、集電効率が高く性能が向上したモジュール６０をモジュール収納室７４に収納して構成されることにより、集電効率が高く性能が向上したモジュール収納装置７０とすることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態の例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であれば種々の変更は可能である。例えば、上記形態ではセルとして燃料電池セルを用いてしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルに水蒸気と電流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）を生成するセル（電解セル、ＳＯＥＣ）にも適用することができる。この場合は、セルに付与する電流が、リード部から板状部を介してセルに接触する折り曲げ部に効率よく流れ、効率よく外部から電流を入力することができる。

１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：セル
４：導電部材
５：端部導電部材
５１：板状部
５２：折り曲げ部
５３：リード部
５４：貫通孔
６０：モジュール（燃料電池モジュール）
７０：モジュール収納装置（燃料電池装置）
Ａ：折り曲げ部が設けられた領域

Claims

複数の柱状のセルを導電部材を介して立設させた状態で配列し、電気的に接続してなるセルスタックと、
該セルスタックの前記セルの配列方向における両端にそれぞれ配置された端部導電部材とを具備し、
該端部導電部材は、
板状部と、
該板状部の長手方向に沿った両端にそれぞれ接続され、前記セルの幅方向の中央部に向けて曲がって設けられた複数の折り曲げ部と、
前記板状部に設けられ、該板状部から前記セルスタックの外側に向けて設けられたリード部とを有し、
該リード部は、前記板状部における前記折り曲げ部が設けられた領域に設けられており、
前記リード部は、前記折り曲げ部の延長線上にあることを特徴とするセルスタック装置。
前記板状部は、貫通孔を有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。
前記板状部は前記貫通孔を複数有し、該貫通孔は前記板状部の長手方向に等間隔で設けられ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。
前記貫通孔は、前記板状部の長手方向に沿った両端側で、かつ前記折り曲げ部に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
請求項１乃至請求項４の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モジュール。
請求項５に記載のモジュールと、該モジュールを動作させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とするモジュール収納装置。