(57)【要約】【課題】  部品点数の低減および抵抗の低減が可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  燃料電池スタックは、複数の円筒部と前記複数の円筒部を互いに接続する接続部とを備える多孔状の支持体と、前記円筒部の外周に第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された発電部と、を備える複数の並列モジュールが、前記支持体上に他の並列モジュールの第２電極が配置されるように積層され、前記支持体は、前記第１電極よりも高い導電性を有することを特徴とする。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の円筒部と前記複数の円筒部を互いに接続する接続部とを備える多孔状の支持体と、前記円筒部の外周に第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された発電部と、を備える複数の並列モジュールが、前記支持体上に他の並列モジュールの第２電極が配置されるように積層され、
前記支持体は、前記第１電極よりも高い導電性を有することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記支持体は、多孔状の金属であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記支持体は、１枚の金属板から構成され、
前記１枚の金属板が円筒状に湾曲した部位が前記円筒部に相当し、前記円筒部が閉じられる箇所で接線方向において反対側に折り曲った部位が前記接続部に相当することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記他の並列モジュールの第２電極は、前記支持体の接続部上に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体酸化物電解質がアノードとカソードとによって挟持された構造を有する。固体酸化物形燃料電池として、金属支持体に支持された円筒型のセルが開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、金属支持体の端部に接続部材を介して集電板と接続することによって、複数の円筒型のセルを並列接続させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、並列接続のために接続部材のような中間部品を介在させる必要がある。この場合、部品点数が多くなるとともに、部品間抵抗が増加してしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、部品点数の低減および抵抗の低減が可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックは、複数の円筒部と前記複数の円筒部を互いに接続する接続部とを備える多孔状の支持体と、前記円筒部の外周に第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された発電部と、を備える複数の並列モジュールが、前記支持体上に他の並列モジュールの第２電極が配置されるように積層され、前記支持体は、前記第１電極よりも高い導電性を有することを特徴とする。本発明に係る燃料電池スタックは、部品点数を低減することができ、抵抗を低減することができる。
【０００８】
前記支持体は、多孔状の金属としてもよい。前記支持体は、１枚の金属板から構成され、前記１枚の金属板が円筒状に湾曲した部位が前記円筒部に相当し、前記円筒部が閉じられる箇所で接線方向において反対側に折り曲った部位が前記接続部に相当していてもよい。前記他の並列モジュールの第２電極は、前記支持体の接続部上に配置されていてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、部品点数の低減および抵抗の低減が可能な燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の単位として機能する単セルの模式的断面図である。
【図２】（ａ）は複数の単セルを並列接続させた形態について説明するための図であり、（ｂ）は（ａ）の回路図である。
【図３】複数の単セルを用いた燃料電池スタック１００の構成図である。
【図４】燃料ガスマニホールドについて説明するための図である。
【図５】各膜の成膜法について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【００１２】
（単セルの構成）
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する燃料電池の単位として機能する単セル１０の模式的断面図である。単セル１０は、支持体上に、一方の電極、電解質膜および他方の電極がこの順に積層された構造を有している。図１を参照して、本実施形態においては、単セル１０は、一例として、支持体１１、アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４がこの順に積層された構造を有している。単セル１０においては、アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４が発電部として機能する。
【００１３】
支持体１１として、ガス透過性を有するとともに電解質膜１３を支持可能な部材を用いることができる。支持体１１には、多孔状基材を用いることができる。多孔状基材の一例として、上面と下面とを連通する孔１１ａを複数有する多孔状金属板を用いる。多孔状基材は、耐熱性が高く、アノード１２およびカソード１４よりも高い導電性を有する材料（ステンレス等）であれば、特に限定されるものではない。支持体１１を用いることによって、アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４を薄膜化することができる。
【００１４】
アノード１２の材質は、アノードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばＮｉＯ／ＺｒＯ２系、ＮｉＯ／ＣｅＯ２系、ＮｉＯ／ＢａＺｒＯ３系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。電解質膜１３の材質は、特に限定されないが、例えばＺｒＯ２系、ＣｅＯ２系、ＬａＧａＯ３系、ＢａＺｒＯ３系等の酸素イオン導電性の固体酸化物電解質を用いることができる。カソード１４の材質は、カソードとしての電極活性を有するものであれば特に限定されないが、例えばＬａＭｎＯ３系、ＬａＣｏＯ３系、Ｌａ２ＮｉＯ４系、ＳｍＣｏＯ３系等の固体酸化物を含む電極構成材料を用いることができる。
【００１５】
本実施形態においては、支持体１１は、中空の円筒部１１ｂおよび板状部１１ｃを備え、板状部１１ｃ上（図１では下）に円筒部１１ｂが接続された構成を有する。円筒部１１ｂと板状部１１ｃとは、接合されていてもよく、一体成型されていてもよい。支持体１１は、例えば図１に示すように、１枚の金属板を円筒状に湾曲させ、円筒が閉じられる箇所で接線方向において反対側に折り曲げることによって、円筒部１１ｂと板状部１１ｃとが形成されていてもよい。すなわち、支持体１１は、断面「Ω」字状に形成されていてもよい。ただし、この場合、円筒部１１ｂは、ガスが漏れない程度に閉じられている。
【００１６】
支持体１１の円筒部１１ｂの形状に合わせて、アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４の積層体も略円筒状に、円筒部１１ｂの外側に形成されている。ただし、アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４の積層体は、円筒部１１ｂと板状部１１ｃとの接続箇所において途切れている。円筒部１１ｂは、上記積層体が途切れている箇所においては、孔１１ａが形成されておらず、ガスが透過しない程度に緻密な構造を有する。それにより、円筒部１１ｂの内部を流動するガスと円筒部１１ｂの外部を流動するガスとが隔離される。
【００１７】
単セル１０は、以下の作用によって発電する。円筒部１１ｂの内部には水素を含有する燃料ガスが供給され、円筒部１１ｂの外部には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソード１４においては、カソード１４に供給された酸素と、外部電気回路から供給される電子と、が反応して酸素イオンになる。酸素イオンは、電解質膜１３を伝導してアノード１２側に移動する。
【００１８】
一方、円筒部１１ｂの内部に供給された水素は、支持体１１の孔１１ａを通過して、アノード１２に到達する。アノード１２に到達した水素は、アノード１２において電子を放出するとともに、カソード１４側から電解質膜１３を伝導してくる酸素イオンと反応して水（Ｈ２Ｏ）になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード１４に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。
【００１９】
（並列モジュールの構成）
図２（ａ）は、複数の単セル１０を並列接続させた形態について説明するための図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の回路図である。図２（ａ）を参照して、隣接する単セル１０の間において、支持体１１の板状部１１ｃが接続されている。すなわち、板状部１１ｃは、隣接する単セル１０の間において、支持体同士を接続するための接続部として機能する。このように、支持体１１は、板状部上（図２（ａ）では下）において複数の円筒が縞状に配置された構成を有する。板状部１１ｃは、必ずしも平らでなくてもよく、凹凸を有する面を有していてもよい。本実施形態においては、一枚の共通の金属板が複数の単セル１０にわたって支持体１１を構成している。以下、並列接続された複数の単セル１０のことを、並列モジュールと称することがある。なお、各単セル１０のカソード１４を電気的に接続することによって、図２（ｂ）の回路が得られる。
【００２０】
ここで、円筒状の単セルは、大きい体格出力密度を有するため、小型化かつ低熱容量化のメリットを有する。その反面、当該メリットを充分に活用するためには、単セル数を増大させる必要が生じる。この場合、部品点数増大のため、信頼性低下のデメリットが生じるおそれがある。
【００２１】
また、セル長を長めに設定すると、電極面積および有効電極率を増大させることができる。それにより、単セル数を削減することができる。しかしながら、この場合、円筒内径側の電極（本実施形態ではアノード１２）の電流横走り抵抗が増大するため、電極膜を厚膜化して断面積を増大させる必要が生じる。
【００２２】
これに対して、本実施形態においては、支持体１１を各単セル１０の集電部材として用いることによって、インターコネクタなどの中間介在部品を用いる必要がない。それにより、接続箇所が削減され、信頼性が向上する。また、部品点数を低減できることから、部品費および組み付け工程費を削減することができる。
【００２３】
さらに、本実施形態においては、アノード１２およびカソード１４よりも高い導電性を有する支持体１１を集電部材として用いることによって、抵抗を低減することができる。一例として、アノード１２として５０Ｎｉ／ＹＳＺを用いた場合、アノード１２の導電率σは６５０℃で約１０００Ｓ／ｍ〜約１１００Ｓ／ｍである。一例として、支持体１１としてＳＵＳ４３０を用いた場合、支持体１１の導電率σは、約８７００Ｓ／ｍ（６５０℃）である。すなわち、支持体１１は、アノード１２の約８倍の導電率を有することになる。この場合、アノード１２を５μｍ〜２００μｍに薄膜化して支持体１１の円周の一部から電流を取り出しても、電気抵抗をほとんど無視することができる。
【００２４】
（燃料電池スタックの構成）
図３は、複数の単セル１０を用いた燃料電池スタック１００の構成図である。図３を参照して、燃料電池スタック１００においては、図２（ａ）で説明した並列モジュールが、順次積層されている。図３の例では、一方の並列モジュールの隣接する単セル１０の間の支持体１１上に、他方の並列モジュールのカソード１４が接触して配置されている。この場合、カソード１４における横走り抵抗を抑制することができる。なお、上記他方の並列モジュールのカソード１４は、上記一方の並列モジュールの支持体１１の板状部１１ｃ上に配置されていることが好ましい。燃料電池スタック１００の積層方向の厚みを小さくできるからである。
【００２５】
集電体２０ａは、最下段の並列モジュールの各単セル１０のカソード１４と接触している。集電体２０ｂは、最上段の並列モジュールの支持体１１と接触している。集電体２０ａおよび集電体２０ｂは、アノード１２およびカソード１４よりも高い導電性を有する多孔体であり、例えばメッシュ金属などである。積層された複数の並列モジュールの側部は、絶縁性およびガス不透過性を有する断熱材３０によって覆われている。集電体２０ａは、断熱材３０を貫通して、集電ターミナル４０ａに接続されている。集電体２０ｂは、断熱材３０を貫通して、集電ターミナル４０ｂに接続されている。
【００２６】
各並列モジュール、集電体２０ａ，２０ｂおよび断熱材３０は、エンドプレート５０ａとエンドプレート５０ｂとによって挟持されている。エンドプレート５０ａおよびエンドプレート５０ｂは、絶縁性を有するとともに、一方の面から他方の面に貫通する孔が形成されている。エンドプレート５０ａとエンドプレート５０ｂとは、締結ボルト６０および締結ナット６１によって締結されている。
【００２７】
燃料電池スタック１００は、ケース２００に収容されている。ケース２００の酸化剤ガス入口と燃料電池スタック１００のエンドプレート５０ａとの間には、酸化剤ガスを均等に分散させるための整流部材１０２ａが設けられている。燃料電池スタック１００のエンドプレート５０ｂとケース２００の酸化剤ガス出口との間には、整流部材１０２ａと同様の構成を有する整流部材１０２ｂが設けられている。それにより、酸化剤ガスを均等に回収することができる。
【００２８】
ケース２００の酸化剤ガス入口から供給された酸化剤ガスは、整流部材１０２ａ、エンドプレート５０ａおよび集電体２０ａを介して最下段の並列モジュールの各単セル１０のカソード１４に供給される。発電に供されなかった酸化剤ガスは、支持体１１の板状部１１ｃの孔１１ａを通って、上段の並列モジュールの各単セル１０のカソード１４に供給される。このようにして、酸化剤ガスは、各並列モジュールを通って、集電体２０ｂ、エンドプレート５０ｂおよび整流部材１０２ｂを介して、ケース２００の酸化剤ガス出口から排出される。
【００２９】
図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であり、燃料ガスマニホールド３００について説明するための図である。図４を参照して、燃料ガスマニホールド３００は、各単セル１０の支持体１１の円筒部１１ｂに接続されている。燃料ガスマニホールド３００を流動する燃料ガスは、燃料ガスが各円筒部１１ｂに供給される、それにより、燃料電池スタック１００において発電が行われる。
【００３０】
なお、各単セル１０は、単セル１０の位置決めのための絶縁体３０１および絶縁シール剤３０２を介して燃料ガスマニホールド３００に接続されている。それにより、各並列モジュールの短絡が防止されている。絶縁体３０１は、例えばセラミックスなどから構成される。絶縁シール剤３０２は、例えばガラス系ペーストなどである。
【００３１】
図５は、各膜の成膜法について説明するための図である。図５を参照して、アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４の成膜には、ディッピング法を用いることができる。この際に、支持体１１の孔１１ａをエア抜き孔として使用することによって支持体１１の鋭角的な折り曲げ部にも浸漬が可能であるため、エア閉じ込めに起因する成膜不良を払拭することができる。ディッピング法を用いることによって、並列モジュールの各膜を一括で成膜可能である。また、各膜の焼結時にも、並列モジュールごとにハンドリングすることができる。それにより、製造工程が簡略化され、生産性が向上する。
【００３２】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施形態では、支持体上にアノード、電解質膜、およびカソードが順に積層されているが、支持体上にカソード、電解質膜、およびアノードが順に積層されていてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０  単セル
１１  支持体
１１ａ  孔
１１ｂ  円筒部
１１ｃ  板状部
１２  アノード
１３  電解質膜
１４  カソード
２０ａ，２０ｂ  集電体
３０  断熱材
４０ａ，４０ｂ  集電ターミナル
５０ａ，５０ｂ  エンドプレート
６０  締結ボルト
６１  締結ナット
１００  燃料電池スタック
２００  ケース
【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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