(57)【要約】【目的】筒状固体酸化物形燃料電池の運転温度において、電極と燃料電池セル集合体の熱膨張差に起因する電極接続用導電部材に発生する応力を緩和する。【解決手段】電解質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池セルをセル接続用導電部材により複数接続したセル集合体と、長手方向をセル集合体の軸方向と平行に配置した電極部材と、前記セル集合体と前記電極部材を電気的に接続する電極接続用導電部材と、を備えた燃料電池システムであって、前記電極接続用導電部材が、前記電極部材の長手方向に変形機能を有していることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側にアノード及びカソードを備えた燃料電池セルをセル接続用導電部材により複数接続したセル集合体と、
長手方向をセル集合体の軸方向と平行に配置した電極部材と、
前記セル集合体と前記電極部材を電気的に接続する電極接続用導電部材と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記電極接続用導電部材が、前記電極部材の長手方向に変形機能を有していることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電極接続用導電部材は前記電極部材に接続後、前記電極部材の周囲を半周以上巻きつけて設置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電極接続用導電部材は少なくとも１箇所は略Ｓ字状に滑らかに折り曲げられて前記電極部材に接続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電極接続用導電部材は少なくとも１箇所はねじれ方向に変形後、前記電極部材に接続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記電極接続用導電部材は前記絶縁部材と前記セル集合体との間に複数のスリット穴を設けていることを特徴とする請求項１〜３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電極接続用導電部材は厚みが０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲である部分を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電極接続用導電部材は材質がニッケルまたはニッケル含有合金であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電極接続用導電部材は前記燃料電池セルの軸方向に対して複数分割されていることを特徴とする請求項１〜４および請求項６〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は円筒形固体電解質型燃料電池に関し、特にセル集合体と外部取り出し用電極の電気的接続に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の筒状固体酸化物形燃料電池セル（以下燃料電池セルともいう）から構成される燃料電池発電システムの一般的な構成図を図５に示す。
燃料電池セル１は、有底筒状のセラミックチューブである。燃料電池セル１の断面は多層円筒状をしており、空気極、固体酸化物、燃料極等の各層が積層されている。燃料電池セル１の各層の肉厚は数μｍ〜２．５ｍｍであり、それぞれ必要な機能（導電性、通気性、固体酸化物、電気化学触媒性等）を有する酸化物を主成分とするセラミックス材で形成されている。この燃料電池セル１の内側に酸化剤ガス（空気や酸素リッチガス等、以下空気という）を流し、外側にＨ２、ＣＯ、ＣＨ４などの燃料ガスを流すと、この燃料電池セル１内でＯ２−イオンが移動して電気化学的発電反応（以下発電反応という）が起こり、空気極と燃料極との間に電位差が生じて発電が行われる。１本の燃料電池セルの出力は限られているため、実際の燃料電池発電システムでは、燃料電池セル１を複数本集合させたセル集合体を構成して使用する。
それぞれの燃料電池セル１の内側には、空気を供給するための細長い空気導入管２が内挿されており、その下端は燃料電池セル１の底近くにまで達している。この空気導入管２の下端から、空気が燃料電池セル１の底に供給される。燃料電池セル１の底に供給された空気は、上述の発電反応に寄与しつつ燃料電池セル１の内側を上方に向かい排出される（排出ラインは図示しない）。燃料電池セル１の外側には、下方から燃料ガス（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４等）が供給される。燃料ガスは、上述の発電反応に寄与しつつ燃料電池セル１の外側を上方に向かい、未反応の燃料ガスと、燃料電池セル１での発電反応生成物ガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等）は、排燃料ガスとして排出される（排出ラインは図示しない）。固体酸化物形燃料電池の発電反応部の温度は、約８００〜１０００℃であるため、排空気や排燃料ガスの保有する顕熱を熱交換器によって回収し、空気や燃料ガスの予熱に用いることもある。また、排空気と排燃料ガスを混合燃焼させ、その燃焼熱を熱交換器により回収して予熱を行うこともある。
【０００３】
次に、筒状固体酸化物型燃料電池における燃料電池セル１の接続構造について説明する。図６は、筒状固体酸化物型燃料電池の従来の接続状況を示す図である。この例では、燃料電池セル１をセル接続用導電部材３により３直列２並列に接続されたセル集合体６、セル集合体６と外部への電気取出しのための電極部材４を電気的に接続する電極接続用導電部材５で構成されており、燃料電池セル１は筒状面のほぼ全面で発電されるよう設計されているので、導電抵抗を低減させるためおよび発電電流の偏りを防ぐためセル接続用導電部材３、電極部材４および電極接続用導電部材５は燃料電池セル１の軸方向の多くの部分において接続される。一般に燃料電池セル１とセル接続用導電部材３の接続およびセル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続は、製造過程の焼成処理または運転中の昇温で拡散接合される。また、電極部材４と電極接続用導電部材５は溶接、ボルト固定などの機械的接合がなされている。
【０００４】
このような従来の燃料電池の構成では、電極接続用導電部材５を構成する金属材料の線膨張係数はニッケルの場合約１６μ／Ｋであり、セラミック系材料で作られたセル集合体６の線膨張係数１１μ／Ｋよりかなり大きいため、例えば運転温度１０００℃時でセル集合体６と電極接続用導電部材５との接続部分長さが５００ｍｍの場合、２．５ｍｍの歪が発生し、セル集合体６と電極接続用導電部材５との接続が損なわれる危険性があった。これに関しては、過去に電極接続用導電部材５を燃料電池セル１の軸方向に複数分割することで対策している。
（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２９７７８３号公報（第３〜４頁、第１図、第２図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の電極接続用導電部材５を燃料電池セル１の軸方向に複数分割する対策では、電極接続用導電部材５が燃料電池セル１の熱膨張に追随するが、その結果電極接続用導電部材５と電極部材４の接続において上記と同様の歪が発生し、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極部材４と電極接続用導電部材５の接続が損なわれる危険性がある。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決し、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極接続用導電部材５と電極部材４の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第一の発明においては、電極接続用導電部材が、電極部材の長手方向に変形機能を有していることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより運転温度８００℃〜１０００℃時に、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極接続用導電部材５と電極部材４の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【０００９】
第二の発明においては、電極接続用導電部材は電極部材に接続後、電極部材の周囲を半周以上巻きつけて設置することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより電極部材４の周囲に巻きついた部分の電極接続用導電部材５が螺旋状に変形することができ、比較的小さい力で電極部材４の軸方向に電極接続用導電部材５が変位することができる。よって、運転温度８００℃〜１０００℃時に、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極接続用導電部材５と電極部材４の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【００１０】
第三の発明においては、電極接続用導電部材は少なくとも１箇所は略Ｓ字状に滑らかに折り曲げられて電極部材に接続することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、電極接続用導電部材５を２箇所滑らかに折り曲げて略Ｓ字状したその２箇所の折り曲げ部分の間が斜めになるよう２箇所の折り曲げ部分が少量捩れ方向に変形することで、比較的小さい力で電極部材４の軸方向に電極接続用導電部材５が変位することができる。よって、運転温度８００℃〜１０００℃時に、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極接続用導電部材５と電極部材４の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【００１１】
第四の発明においては、電極接続用導電部材は少なくとも１箇所はねじれ方向に変形後、電極部材に接続することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、電極接続用導電部材５の面が水平となった部分で比較的小さい力で電極部材４の軸方向に電極接続用導電部材５が変位することができる。よって、運転温度８００℃〜１０００℃時に、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極接続用導電部材５と電極部材４の接続において線膨張係数の違いに起因する歪から生じる応力を緩和し、安定した発電性能で信頼性の高い燃料電池を提供できる。
【００１２】
第五の発明においては、電極接続用導電部材は絶縁部材とセル集合体との間に複数のスリット穴を設けていることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、電極接続用導電部材５は簡単な加工で製造可能であり、また分割される必要がなく一体品として取り扱えるので電極接続用導電部材と電極部材の接続が容易となる。
【００１３】
第六の発明においては、電極接続用導電部材は厚みが０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲である部分を有することを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、第一から第四の発明において、電極接続用導電部材５の変形に必要な力が、セル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５の接続または電極接続用導電部材５と電極部材４の接続部分を破損しない十分に小さい力になるよう抑えることができる。
【００１４】
第七の発明においては、電極接続用導電部材は材質がニッケルまたはニッケル含有合金であることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、導電部材にニッケルまたはニッケル含有合金であることによって、高温雰囲気でも耐酸化性および導電性に優れ、また特にニッケルは高温で非常に柔らかい材料であるため、電極接続用導電部材５の変形に必要な力が比較的小さくできる。
【００１５】
第八の発明においては、電極接続用導電部材は燃料電池セルの軸方向に対して複数分割されていることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これにより、従来構造で考慮されたセル接続用導電部材３と電極接続用導電部材５間の応力緩和だけでなく、分割部分のそれぞれの位置に応じた変形量を担わせることでトータルとして変形に必要な力を最小限にすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例を示す略示する図である。燃料電池セル１がセル接続用導電部材３により３直列２並列に接続されセル集合体６を構成し、セル集合体６が電極接続用導電部材５と拡散接合で接続され、電極接続用導電部材５が電極部材４に接続されることで電極部材４を介して外部に電力を取り出すことができる。図示していないがセル集合体６に電極接続用導電部材５が接続されている面の反対面またはセル集合体６が複数直列に接続された最終端面にも、同様に電極接続用導電部材５と拡散接合で接続され、電極接続用導電部材５が電極部材４に接続されて電気が取り出せる。このようにして発生電力の正極、負極が設けられている。
ここでは、電極接続用導電部材５の端面を電極部材４に溶接などの固定手段により接続後、電極部材４の周りを２周と３／４周巻きつけてセル集合体６に接続されている。例えば、３枚の電極接続用導電部材５の上端下端の位置寸法差が５００ｍｍで電極部材４の下端が熱膨張の変位基点である場合、電極部材４に接続された電極接続用導電部材５の上端は、運転温度１０００℃において８ｍｍ上方に変位する。一方セル集合体６に接続された電極接続用導電部材５の上端は、分割によりほぼセル集合体６の熱膨張に従うと仮定すると５．５ｍｍ上方に変位する。よって電極接続用導電部材５の電極部材４側とセル集合体６側では２．５ｍｍの変位差が生じる。この時発生する歪は、電極部材４の周りに巻きつけられた部分の電極接続用導電部材５が螺旋状に変形することで前記変位差を吸収することができる。この螺旋状変形では螺旋面の全面において軽微な捩れ変形を連続させることため小さな応力で大きな変位を実現できる。よって、半周程度の巻き数でも前記機能は発揮するが導電抵抗が許される範囲内で巻き数を増加させた方が、電極接続用導電部材５内および電極部材４またはセル接続用導電部材３との接続部に発生する応力を小さくすることができる。また、電極部材４の周りを巻きつける際には、各周間に若干のクリアランスを設けることが望ましい。
【００１７】
図２は本発明の別の一実施例を示す略示する図である。ここでは電極接続用導電部材５を２箇所反対向きに１８０°ずつ折り滑らかに曲げてＳ字状にし、片端を電極部材４、もう片端をセル接続用導電部材３に接続している。これにより、２箇所の折り曲げ部分の間が斜めになるよう２箇所の折り曲げ部分が少量捩れ方向に変形することで、比較的小さい力で電極部材４の軸方向に電極接続用導電部材５が変位することができる。図中では折り曲げ部分は１８０°折り返されているが、３０°などの浅い角度であってもよい。
【００１８】
図３は本発明の別の一実施例を示す略示する図である。ここでは、電極接続用導電部材５をねじれ方向に９０°変形後、電極部材４に接続している。これにより、電極接続用導電部材５の面が水平となった部分で比較的小さい力で電極部材４の軸方向に電極接続用導電部材５が変位することができる。図中は捩れ角度９０°の例を表しているが、電極接続用導電部材５内および電極部材４またはセル接続用導電部材３との接続部に発生する応力が許容できる範囲内で捩れ角度は任意に選定できる。
【００１９】
これら図１〜３の例では、電極接続用導電部材５の変形抵抗を小さくするため、部材の厚みを薄くすることが有利である。ただし電極接続用導電部材５のトータル断面積が小さくなると導電抵抗が増大するため、厚み０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲で選定することが望ましい。
また、これら図１〜３の例では、電極接続用導電部材５を電極部材４の軸方向に複数分割することが望ましい。こうすることにより電極接続用導電部材５のセル接続用導電部材３との接続部分における熱膨張による歪量が分割されることにより１枚当りの歪量が小さくなるため、接続部分に発生する応力を緩和することができる。また、電極接続用導電部材５と電極部材４との高さ方向の変位量差を各箇所ごとに必要な変位量に分割させることで全体として電極接続用導電部材５内および電極部材４またはセル接続用導電部材３との接続部に発生する応力を最小限にすることができる。
また、前述の例のように電極部材４の下端が熱膨張の変位基点であるような場合が想定される。このように電極接続用導電部材５の電極部材４側変位とセル接続用導電部材３側変位が高さ方向で変わらない箇所付近においては、当然ながら本発明を適用する必要はなく従来通りの接続でよい。
【００２０】
図４は本発明の別の一実施例を示す略示する図である。高さ方向に電極接続用導電部材５を変形する場合、同じ断面積であれば高さを低くし幅を大きくすることで断面係数を小さくすることが有利である。ここでは、電極接続用導電部材５に複数のスリット穴を設けることで断面係数を小さくしている。さらに前述の例と同様、電極部材の巻き付けおよびまたはＳ字状の変更と併用することで変形抵抗を低減することは可能である。実際には電極接続用導電部材５の厚みは１ｍｍ〜４ｍｍ程度、スリット高さを数ｍｍ程度の中から導電抵抗と変形抵抗がそれぞれ許容範囲に収まるよう設計される。スリット穴は一般にパンチングなどの機械加工による量産化が容易で安価に加工が可能である。また電極接続用導電部材５を電極部材４に接続する際、電極接続用導電部材５が一体型であるので組立工数を削減することができる。
【００２１】
本発明の特定の実施例を例示の目的で説明したが、頭書の特許請求の範囲に定義された本発明から逸脱することなく、種々の変形例及び設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒状固体酸化物形燃料電池の一実施例を略示する図である。
【図２】本発明の筒状固体酸化物形燃料電池の別の一実施例を略示する図である。
【図３】本発明の筒状固体酸化物形燃料電池の別の一実施例を略示する図である。
【図４】本発明の筒状固体酸化物形燃料電池の別の一実施例を略示する図である。
【図５】従来の筒状固体酸化物形燃料電池の断面構造例を模式的に示す図である。
【図６】従来の筒状固体酸化物形燃料電池を略示する図である。
【符号の説明】
１  燃料電池セル
２  空気導入管
３  セル接続用導電部材
４  電極部材
５  電極接続用導電部材
６  セル集合体
【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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