JPWO2010114050A1 - 燃料電池セル集合体及び燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
このように構成された本発明においては、第1の燃料電池セルとこれに隣接する第2の燃料電池セルを電気的に接続する集電体が、第1の燃料電池セルの発電部において発生した電流を、第1の燃料電池セルの第1電極の相異なる2箇所から第2の燃料電池セルの第2電極へ分配して流すようにしているので、集電体に流れる電流の値が小さくなり、それにより、電気抵抗が減少する。さらに、第1の燃料電池セルの第1電極において2箇所のうちのより近い箇所へ電流が移動するので、第1電極における電流の移動経路が短くなり、それにより、電気抵抗が減少する。この結果、本発明によれば、燃料電池セル集合体の発電効率を向上させることができる。
このように構成された本発明においては、第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルがそれぞれ両端に第2電極を備え、第1の燃料電池セルの発電部において発生した電流を、電気的に独立した第1集電体及び第2集電体により、第2の燃料電池セルの両端へ分配して流すようにしているので、一方の電流経路(一方の集電体)に不具合が生じて電流が流れなくても、他方の電流経路(他方の集電体)に電流が流れるので、電流経路を容易に確保することができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が互いに離間して配置された機械的集電体であるので、一方の集電体に不具合が生じて電流が流れなくても、他方の集電体により電流経路を容易に確保することができる。さらに、機械的集電体は、第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルを支持するために必要な所定の剛性を有し、且つ、複数個所で第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルを支持するようにしているので、第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルの支持剛性及び安定性が向上し、それにより、燃料電池セル集合体の剛性も大きくなり安定構造となる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が第1の燃料電池セルの外部において燃料ガスの流れる方向に沿って離間して配置されているので、第1ガス及び第2ガスの何れか一方の燃料ガスの上流側で発生した大きな電流の第1の燃料電池セルの外部の第1電極内における移動距離を短くすることができ、それにより、電気抵抗を低減することができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が、第1の燃料電池セルの外部の長手方向の中心から互いに離れるように配置されているので、第1の燃料電池セルの外部の第1電極内の長手方向の中心から離れた領域で発生した電流が近い方の集電体へ流れるため、電流の第1の燃料電池セルの外部の第1電極内における移動距離を短くすることができ、それにより、電気抵抗を低減することができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が、第1の燃料電池セルの外部の長手方向の中心から最も離れた両端部にそれぞれ配置されているので、第1集電体及び第2集電体の第1の燃料電池セルの第1電極との接続部と第2の燃料電池セルの両端の第2電極との接続部との距離が短くなるので、集電体における電流移動経路が短くなり、それにより、第1集電体及び第2集電体における電気抵抗が低減する。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が、それぞれ、第1の燃料電池セルの外部の両端部から第2の燃料電池セルの両端の第2電極の方向に傾斜する傾斜部を備えているので、短い距離で、第1の燃料電池セルと第2の燃料電池セルを接続することができ、電気抵抗を低減させることができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体の傾斜部が、それぞれ、弾性変形し易い段部を備えているので、この段部が弾性変形することにより、第1及び第2の燃料電池セルの長さ方向及び横方向のばらつきを吸収することができる。
このように構成された本発明においては、それぞれ、第1集電体及び第2集電体の傾斜部が、第1の燃料電池セルの長手方向の中心に向けて凸形状のR形状部を備えているので、第1の燃料電池セル自身の両端の第2電極と接触してショートすることを回避しながら、短い距離で、第1の燃料電極セルの第1電極と第2の燃料電池セルの両端の第2電極とを接続することができる。その結果、燃料電池セルの配列ピッチを狭めることができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体の傾斜部が、上面視で、第1の燃料電池セルの中心と第2の燃料電池セルの中心とを結ぶ線に沿った最短距離で接続するように構成されているので、電気抵抗が小さくなる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が、それぞれ、第2の燃料電池セルの端部の第2電極の少なくとも一部と接触するキャップ部を備えているので、第1集電体及び第2集電体を第2の燃料電池セルの端部の第2電極に安定して取り付けることができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体が、それぞれ、第2の燃料電池セルの端部の第2電極を上下方向から挟む挟み面部を備えているので、燃料電池セル集合体の組立て上の安定性が図れ、また、第1集電体及び第2集電体が第2の燃料電池セルの端部で第2電極と面接触し、それにより、接触面積が増大するので、第1集電体及び第2集電体の第2の燃料電池セルの第2電極との接触抵抗を低減することができる。
このように構成された本発明においては、ばらつき吸収部により、燃料電池セルの長さ方向のばらつきを吸収することができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体の挟み面部を第2の燃料電池セルに取り付ける際に、挟み面部を第2の燃料電池セルの両端部に接触させると共に筒状部分を収納してスライドさせるだけで、第1集電体及び第2集電体を第2の燃料電池セルに組み付けることができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体に力が作用しても、緩和部が設けられているので、第1集電体及び第2集電体の第1の燃料電池セルの第1電極と接触する部分の近接部に発生する応力集中が緩和される。
このように構成された本発明においては、第1の燃料電池セルの長手方向に沿った中央部において電気的に接続されているので、第1の燃料電池セルの中央外周部と第1の燃料電池セルに隣接する第2の燃料電池セルの両端部との間で電流が流れるので、電流が流れる距離が短くなり、電気抵抗が小さくなる。さらに、第1の燃料電池セルの中央外周部では、電流が電気抵抗の比較的小さな集電体を通るので電気抵抗による集電ロスが少なくなる。
このように構成された本発明においては、第1の燃料電池セルの第1電極の外側に設けられた多孔質の集電膜を有し、この集電膜に第1集電体及び第2集電体が電気的に接続されているので、第1の燃料電池セルの第1電極に緻密な例えば金属製の集電体を広範囲に接続する必要がなく、第1の燃料電池セルの第1電極から第2ガスを取り込む面積が増大し、さらに、第2ガスが集電膜に沿って流れるので第2ガスの乱れを低減でき、これにより、第1の燃料電池セルが取り込む第2ガスの不足を防止することができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体の第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルへのそれぞれの取付部に、隣接する他の燃料電池セルの長手方向に沿った同じ位置に配置された他の集電体の取付部と互いに接触せず且つ他の集電体から所定の距離だけ離れるように、切欠部が形成されているので、隣接する集電体どうしの接触及び放電を防止することができる。この結果、隣接する燃料電池セル間の距離を短くすることができるので、燃料電池セル集合体の小型化を図ることができる。
このように構成された本発明においては、第1集電体及び第2集電体のそれぞれの取付部が2つの突出部が形成された第1把持部と1つの突出部が形成された第2把持部を備え、さらに、第1把持部の切欠部の燃料電池セルの長手方句位置に対応した位置に第2把持部の1つの突出部が形成されているので、隣接する集電体どうしの接触及び放電を防止るつと共に、第1集電体及び第2集電体を燃料電池セルに対して安定して取り付けることができる。
図1は、本発明の第1実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)を示す全体構成図である。この図1に示すように、本発明の第1実施形態による固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、残余の燃料ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、燃焼熱を受けて発電用空気を加熱するための空気用熱交換器22が配置されている。
また、燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
図2及び図3に示すように、燃料電池モジュール2のハウジング6内の密閉空間8には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。
空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に余熱された空気を導入する。
図3に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。
図4に示すように、燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。
燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の内側電極層90と、円筒形の外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある電解質層94とを備えている。この内側電極層90は、燃料ガスが通過する燃料極であり、(−)極となり、一方、外側電極層92は、空気と接触する空気極であり、(+)極となっている。
先ず、図10に示すように、燃料電池セルユニット16に集電体102を取り付け、両者を電気的に接続し、サブアセンブリする。このとき、集電体102の中央部108の櫛歯部108bには付勢力が生じ、集電体102を安定して取り付けることが可能である。
この後、図6に示したように、10個の燃料電池セルユニット14が電気的に直列に接続され、燃料電池セル集合体12の組立てが完了する。
先ず、集電体102において、第1燃料電池セルユニット16(120)の中央外周部である外側電極層92と第1燃料電池セルユニット16(120)に隣接する第2燃料電池セル16(122)の両端部である内側電極端子86との間で電流が流れるので、電流が流れる距離が短くなり、電気抵抗が小さくなる。次に、燃料電池セルユニット16(燃料電池セル84)において、第1の燃料電池セルユニット16(120)の中央外周部である外側電極層92と隣接する第2の燃料電池セルユニット16(120)の上端及び下端の電極との間で電子が移動するので、電子の移動距離が短くなり電気抵抗が小さくなる。さらに、第1の燃料電池セルユニット16(120)の中央外周部である外側電極層92では、電流が電気抵抗の比較的小さな集電体102を通るので電気抵抗による集電ロスが少なくなる。この結果、本発明によれば、燃料電池セルによる発電効率が向上する。
先ず、図15に示すように、第2燃料電池セルユニット16(122)に両端部である内側電極端子86に集電体202のキャップ部210bを被せて、外側電極層92と内側電極端子86とを電気的に接続し、サブアセンブリする。このとき、接続部210の付勢力により、両端のキャップ部210bが長手方向内側に向って引き付けられ、安定した接続状態を得ることができる。
図17に示すように、第3実施形態においては、集電体302は、上側及び下側の両方において、第1実施形態と同様な挟み面部304を有し、この挟み面部304の内側電極端子86の平坦面86bと接触する面に、ばらつき吸収部である導電性のクッション材306が貼り付けられている。
このクッション材306は、圧縮されて長手方向に縮むようになっているので、燃料電池セルの長手方向のばらつきを吸収することができる。
第4実施形態の第1例においては、この段部406に力が作用すると、弾性変形することにより、燃料電池セルユニット16(燃料電池セル84)の長手方向及び横方向のばらつきを吸収することができる。
第4実施形態の第2例においても、同様に、この段部410により、燃料電池セルユニット16(燃料電池セル84)の長手方向及び横方向のばらつきを吸収することができるようになっている。
図21に示すように、第6実施形態においては、集電体602の中央部604が、接続部606との近接部604aよりも上方向外側及び下方向外側にそれぞれ延長された応力緩和部608を備えている。
第6実施形態においては、集電体602の接続部606に力が作用しても、応力緩和部608が設けられているので、集電体602の中央部604の接続部606との近接部604aに発生する応力集中が緩和される。
この集電膜702は、多孔質(気孔)の導電性膜であり、AgとPdとLSCFを備えている。集電膜702の厚さは、0.1〜50μmであることが好ましく、より好ましくは、0.5〜30μmである。集電膜702は、外側電極層92が薄くて電気を通しにくい場合や導電率の低い材料で作られている場合に電気の通路として機能する。
これらの第1集電体710と第2集電体712は、耐熱合金に銀メッキを施した金属製の集電体である。耐熱合金としては、例えば、アルミナ被膜を形成するフェライト合金が好ましい。この金属製の第1集電体710と第2集電体712は、これらを燃料電池セルに取り付けたとき必要な支持剛性を得ることができるような剛性(強度)を有している。
この集電体の金属材料は、上述した第1実施形態乃至第6実施形態における集電体も同様である。
同様に、第2集電体712も、上方に位置する外側電極用把持部714と、下方に位置する内側電極用把持部716と、これらの把持部714,716を接続する接続部718と、内側電極端子86の平坦面86bを燃料電池セルユニット700の下端側から挟むように面接触する挟み面部720を備えている。
同様に、第2集電体712の外側側電極用把持部714も、第1の燃料電池セル706の外側電極層(第1電極)92に集電膜702を介して接続されている。一方、第2集電体710の内側電極用把持部714は、第2の燃料電池セル708の下端にある内側電極端子(第2電極)86に接続されている。
図25及び図28に示すように、第1集電体710の下方に位置する外側電極用把持部714は、第1の燃料電池セル706の外周を取り囲むよう燃料電池セルの長手方向Yに直交するX方向(円周方向)に沿って延びる第1把持部である2つの突出部714a,714bと、これら突出部714a,714bの間に形成された切欠部714cと、突出部714a,714bに対向する第2把持部である1つの突起部714dと、を備えている。第2集電体712も同様な構造となっている。
Claims (20)
- 第1の燃料電池セルと、
この第1の燃料電池セルに隣接して配置された第2の燃料電池セルと、
これらの第1の燃料電池セルと第2の燃料電池セルを電気的に接続する集電体と、を備え、
上記第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルは、ぞれぞれ、内部に第1ガスが流れる第1電極と、外部に第2ガスが流れ第1電極と異なる極性の第2電極と、これらの第1電極と第2電極の間に配置された電解質と、により発電を行なう発電部を備え、
上記集電体は、上記第1の燃料電池セルの発電部において発生した電流を、上記第1の燃料電池セルの第1電極の相異なる2箇所から上記第2の燃料電池セルの第2電極へ分配して流すように構成されていることを特徴とする燃料電池セル集合体。 - 上記第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルは、それぞれ、両端に第2電極を備え、上記集電体は、上記第1の燃料電池セルの発電部において発生した電流を、上記第1の燃料電池セルの第1電極の第1箇所から上記第2の燃料電池セルの一端の第2電極へ分配して流す第1集電体、及び、上記第1の燃料電池セルの第1電極の第2箇所から上記第2の燃料電池セルの他端の第2電極へ分配して流す第2集電体を備え、これらの第1集電体及び第2集電体は電気的に独立している請求項1に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、それぞれ、上記第1の燃料電池セルの外部において互いに離間して配置され、且つ、上記第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルを支持するために必要な所定の剛性を有する機械的集電体である請求項2に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、上記第1の燃料電池セルの外部において上記第1ガス及び第2ガスの流れる方向に沿って離間して配置されている請求項3に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、上記第1の燃料電池セルの外部の長手方向の中心から互いに離れるように配置されている請求項4に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、上記第1の燃料電池セルの外部の長手方向の中心から最も離れた両端部にそれぞれ配置されている請求項4に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、それぞれ、上記第1の燃料電池セルの外部の両端部から上記第2の燃料電池セルの両端の第2電極の方向に傾斜する傾斜部を備えている請求項6に記載に燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体の傾斜部は、それぞれ、弾性変形し易い段部を備えている請求項7に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体の傾斜部は、それぞれ、上記第1の燃料電池セルの長手方向の中心に向けて凸形状のR形状部を備えている請求項7に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体の傾斜部は、それぞれ、上面視で、第1の燃料電池セルの中心と第2の燃料電池セルの中心とを結ぶ線に沿った最短距離で接続するように構成されている請求項7に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、それぞれ、第2の燃料電池セルの端部の第2電極の少なくとも一部と接触するキャップ部を備えている請求項6に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、それぞれ、上記第2の燃料電池セルの端部の第2電極を上下方向から挟む挟み面部を備えている請求項6に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体の挟み面部は、それぞれ、ばらつき吸収部を備えている請求項12に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第2の燃料電池セルは両端部に筒状部分を備え、上記第1集電体及び第2集電体の挟み面部が、その一部を開放して上記筒状部分を収納する長孔を有する係止部を備えている請求項12に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、それぞれ、上記第1の燃料電池セルの第1電極と接触する部分の近接部に応力集中を緩和する緩和部を備えている請求項6に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体は、第1の燃料電池セルの長手方向に沿った中央外周部において電気的に接続されている請求項6に記載の燃料電池セル集合体。
- 更に、上記第1の燃料電池セルの第1電極の外側に設けられた多孔質の導電性の集電膜を有し、この集電膜に上記第1集電体及び第2集電体が電気的に接続されている請求項6に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体の第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルへのそれぞれの取付部に、隣接する他の燃料電池セルの長手方向に沿った同じ位置に配置された他の集電体の取付部と互いに接触せず且つ他の集電体から所定の距離だけ離れるように、切欠部が形成されている請求項6に記載の燃料電池セル集合体。
- 上記第1集電体及び第2集電体の第1の燃料電池セル及び第2の燃料電池セルへのそれぞれの取付部は、燃料電池セルの長手方向に直交する方向に延びる第1の把持部とこの第1把持部と対向する第2把持部を備え、第1把持部に上記切欠部を形成する2つの突出部が形成され、第2把持部に第1把持部の上記切欠部の燃料電池セルの長手方向位置に対応した位置に1つの突出部が形成されている請求項18に記載の燃料電池セル集合体。
- 請求項1乃至19に記載された燃料電池セル集合体を備えた燃料電池。
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