(57)【要約】【課題】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。【解決手段】燃料電池１は、高温で発電を行う発電ユニット３と、その発電ユニット３を囲う断熱容器４と、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と、断熱容器４の外で導電性の端子金具２５を介して電流取り出し部材１９ａに接続される送電ケーブル２６とを備える。かかる燃料電池１において、前記端子金具２５は、送電ケーブル２６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２６に固着されるケーブル接合部２７と、電流取り出し部材１９ａに連結される接続部２８と、を有しており、そのケーブル接合部２７と接続部２８との間に放熱部２９を設けたことを特徴とする。【選択図】        図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記放熱促進部は、貫通穴で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記放熱促進部は、波形の変形で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
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ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
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ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
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ことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−２８３７７２号公報（第２頁左上欄）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池の発電ユニットと断熱容器の斜視図である。
【図２】燃料電池セルの斜視図である。
【図３】燃料電池セルの分解斜視図である。
【図４】（ａ）は端子金具と送電ケーブルの正面図、（ｂ）はその中央縦断面図である。
【図５】放熱部の他の形態を示す端子金具と送電ケーブルの中央縦断面図である。
【図６】放熱部の他の形態を示す端子金具と送電ケーブルの正面図である。
【図７】（ａ）は端子金具と送電ケーブルの正面図、（ｂ）はその中央縦断面図である。
【図８】燃料電池をケーシングに収めた状態を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
［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。
【００１８】
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。
【００１９】
［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。
【００２０】
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。
【００２１】
［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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
［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。
【００２６】
［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。
【００２７】
［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。
【００２８】
［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。
【００２９】
［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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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