(57)【要約】【課題】  部品間抵抗が低減されかつ組み付け性が向上された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、多孔状の金属支持体の外周に第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された筒型セルを幅方向に複数配列させた並列モジュールを複数段積層させたスタックと、１枚の導電性部材であり、２段の並列モジュールの間に配置され、一方の並列モジュールの各金属支持体を接続し、前記一方の並列モジュールの各第２電極と接触せずに他方の並列モジュールの各第２電極と接触するインターコネクタと、を備え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】
多孔状の金属支持体の外周に第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された筒型セルを幅方向に複数配列させた並列モジュールを複数段積層させたスタックと、
１枚の導電性部材であり、２段の並列モジュールの間に配置され、一方の並列モジュールの各金属支持体を接続し、前記一方の並列モジュールの各第２電極と接触せずに他方の並列モジュールの各第２電極と接触するインターコネクタと、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記インターコネクタは、弾性を有し、前記他方並列モジュールの各第２電極に対して、付勢されて接触してい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】
前記インターコネクタは、波板形状の断面を有し、
前記波板形状の前記他方の並列モジュール側への凸部は、前記他方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置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】
前記波板形状の前記一方の並列モジュール側への凸部は、前記一方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置することを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１電極は、前記金属支持体の端部まで形成されておらず、
前記インターコネクタは、前記金属支持体の端部に接触していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記金属支持体は、前記端部に拡径部を備え、
前記インターコネクタは、前記拡径部よりも端側に接触していることを特徴とする請求項５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、集電体が、中央部で外側電極層に接続される中央部と、この中央部から隣接する燃料電池ユニットの両端部に向けて延びて内側電極に電気的に接続される接続部とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１４０５０号
【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、円筒型セル１つずつに個別に集電部が設けられているため、集電時の部品間抵抗が大きくなる。また、組み付け性が悪くなるおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、部品間抵抗の低減が可能であるとともに、組み付け性の向上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、多孔状の金属支持体の外周に第１電極、固体酸化物電解質、および第２電極が積層された筒型セルを幅方向に複数配列させた並列モジュールを複数段積層させたスタックと、１枚の導電性部材であり、２段の並列モジュールの間に配置され、一方の並列モジュールの各金属支持体を接続し、前記一方の並列モジュールの各第２電極と接触せずに他方の並列モジュールの各第２電極と接触するインターコネクタと、を備えることを特徴とする。本発明に係る燃料電池スタックによれば、部品間抵抗の低減が可能であるとともに、組み付け性の向上が可能である。
【０００８】
前記インターコネクタは、弾性を有し、前記他方並列モジュールの各第２電極に対して、付勢されて接触していてもよい。前記インターコネクタは、波板形状の断面を有し、前記波板形状の前記他方の並列モジュール側への凸部は、前記他方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置していてもよい。前記波板形状の前記一方の並列モジュール側への凸部は、前記一方の並列モジュールの各筒型セルの間に位置していてもよい。前記第１電極は、前記金属支持体の端部まで形成されておらず、前記インターコネクタは、前記金属支持体の端部に接触していてもよい。前記金属支持体は、前記端部に拡径部を備え、前記インターコネクタは、前記拡径部よりも端側に接触していてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、部品間抵抗が低減されかつ組み付け性が向上された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】（ａ）は単セルの外観図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は複数の単セルを幅方向に並列接続させた形態について説明するための図であり、（ｃ）は（ａ）の回路図である。
【図３】（ａ）は複数の単セルを用いた燃料電池スタックの構成図であり、（ｂ）は燃料マニホールドを表す図である。
【図４】図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【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（ａ）〜図１（ｃ）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の構造を説明するための図である。図１（ａ）は、単セル１０の外観図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１３】
単セル１０は、筒型の支持体の外周に、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（ａ）〜図１（ｃ）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、円筒形状の支持体１１の外側表面に、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。
【００１４】
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として、多孔状の金属支持体を用いることができる。多孔状の金属支持体は、一例として、内壁と外壁とを連通する孔１１ａを複数有する。多孔状の金属支持体は、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として、シームレスタイプの鋼管や、セミシームレス（平板プレス、溶接後引き抜き）タイプの鋼管などを用いることができる。孔１１ａは、プレス等の機械加工、エッチング処理などによって形成することができる。
【００１５】
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。
【００１６】
本実施形態においては、支持体１１の長手方向において、支持体１１よりもアノード１２が短く形成され、アノード１２よりも電解質膜１３が短く形成され、電解質膜１３よりもカソード１４が短く形成されている。それにより、支持体１１の端部、アノード１２の端部および電解質膜１３の端部が露出している。なお、支持体１１には、長手方向の端部において、他の部分よりも径が大きい拡管部１１ｂが設けられている。拡管部１１ｂは、バレル（拡管）加工によって形成することができる。拡管部１１ｂの詳細については後述する。また、孔１１ａは、支持体１１の全体にわたって形成されているわけではなく、カソード１４が覆う領域に形成されている。それにより、支持体１１の内部を流動するガスと、支持体１１の外部を流動するガスとが隔離される。アノード１２、電解質膜１３およびカソード１４の成膜には、インクジェット法、ディッピング法などを用いることができる。また、膜ごとに焼結をしてもよく、全膜の成膜後に一括して焼結してもよい。
【００１７】
単セル１０は、以下の作用によって発電する。支持体１１の内部には水素を含有する燃料ガスが供給され、支持体１１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、支持体１１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】
ここで、円筒状の単セルは、自身の構造に起因して機械的衝撃および熱的衝撃に対して強固であるため、信頼性および耐熱性に優れている。また、平板状の単セルよりも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による早期暖機および省エネルギー化が可能である。しかしながら、セルの細径化に伴って体格出力密度が大きくなる一方で、同一出力に対してセル数を増大させる必要がある。セル数を増大させると、集電箇所およびシール箇所が増えるため、製造工程が煩雑化し、生産性低下、工程費増大などの支障をきたす。また、円筒内径電極（図１の例ではアノード１２）は、円筒長手方向の端部で集電されるため、導電率の低い電極薄膜の電流横走り抵抗に起因する発電電圧降下が顕著になるため、発電条件、円筒長、電極の膜厚（断面積）、電極材種、セル本体の構造が大きく制約を受けることになる。
【００２０】
これに対して、単セル１０では、アノード１２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。
【００２１】
汎用材のＳＵＳ４３０系は、Ｎｉ（ニッケル）を含まず、ＳＵＳ材でも比較的安価で耐熱性に優れる材料である。したがって、支持体１１としてＳＵＳ４３０系を用いることが好ましい。また、ＳＵＳ４３０系の線熱膨張率は、約１１×１０−６であることから、アノード１２、電解質膜１３、およびカソード１４の間で線熱膨張率差を小さくすることができる。その結果、アノード１２、電解質膜１３、およびカソード１４の剥離を抑制することができる。また、支持体１１を用いることによってアノード１２を薄膜化することができることから、Ｎｉ／ＹＳＺをアノード１２として用いた場合のＮｉ量を低減することができる。
【００２２】
（並列モジュールの構成）
図２（ａ）および図２（ｂ）は、複数の単セル１０を幅方向に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（ｃ）は、図２（ａ）および図２（ｂ）の回路図である。図２（ａ）を参照して、複数の単セル１０を配列し、各カソード１４に接するようにインターコネクタ５ａが配置されていれば、各単セル１０が並列接続される。さらに、図２（ｂ）を参照して、各単セル１０の支持体１１を別のインターコネクタ５ｂによって接続することによって、図２（ｃ）の回路が得られる。
【００２３】
並列モジュールを複数段にわたって積層させた場合に、下段の並列モジュールの各カソード１４を接続するインターコネクタ５ａと、上段の並列モジュールの各支持体１１を接続するインターコネクタ５ｂとを１枚のインターコネクタで機能させることができれば、当該インターコネクタが各単セル１０の並列化および各並列モジュールの直列化を担うことができる。この場合、部品の簡素化により部品間抵抗を低減することができる。また、各単セル１０の組み付け性が向上する。以下、インターコネクタの具体的な例について説明する。
【００２４】
（燃料電池スタックの構成）
図３（ａ）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（ａ）を参照して、燃料電池スタック１００は、ケース２０の中に、図２（ａ）で説明した並列モジュールが順次積層された構成を有する。図３（ａ）の例では、隣接する２つの単セル１０の上に、他の並列モジュールの単セル１０が配置されるように、千鳥配置されている。
【００２５】
下段の並列モジュールと上段の並列モジュールとの間には、インターコネクタ３０が配置されている。インターコネクタ３０は、各並列モジュールの上側において各単セル１０のカソード１４に接触するように配置されている。それにより、並列モジュール内の各単セル１０が各カソード１４を介して並列接続されている。また、インターコネクタ３０は、波板形状を有している。インターコネクタ３０の波形の下段側への各凸部は、上段の単セル１０に対応する位置かつ下段の隣接する２つの単セル１０の間に位置するように配置されている。インターコネクタ３０の波形の上段側への各凸部は、下段の単セル１０に対応する位置かつ上段の隣接する２つの単セル１０の間に位置するように配置されている。それにより、燃料電池スタック１００が省スペース化される。また、インターコネクタ３０は、上段の並列モジュールの各単セル１０のカソード１４とは接触せずに、当該並列モジュールの各単セル１０の支持体１１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。インターコネクタ３０と支持体１１との接続については後述する。
【００２６】
図３（ｂ）は、燃料マニホールド４０を表す図である。燃料マニホールド４０は、各単セル１０に燃料ガスを供給するための流路または各単セル１０を経由した後の燃料ガスを排出するための流路であり、各単セル１０の長手方向の各端部に接続されている。それにより、各単セル１０に並列的に燃料ガスが供給される。燃料マニホールド４０の材質は特に限定されず、金属などであってもよく、耐熱材などであってもよい。
【００２７】
図４は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図４を参照して、ケース２０の内壁において、各単セル１０の端部が位置する箇所に、各単セル１０を保持する凸形状部２１が設けられている。それにより、各単セル１０の位置決めがなされる。凸形状部２１は、支持体１１の拡管部１１ｂから端部までの部分よりも短く形成されている。また、各単セル１０の下側のインターコネクタ３０は、凸形状部２１と支持体１１との間に挿入されている。それにより、各単セル１０のアノード１２が並列接続される。また、拡管部１１ｂが設けられることによって、単セル１０の長手方向におけるインターコネクタ３０の位置決めがなされるとともに、インターコネクタ３０の脱落が防止される。
【００２８】
凸形状部２１は、セラミックスなどの絶縁性材料によって構成される。また、凸形状部２１は、ガスシールの信頼性の観点から、燃料マニホールド４０と同程度のまたは同一の線熱膨張係数の材料によって構成されることが好ましい。燃料マニホールド４０と凸形状部２１との間は、シール剤によってガスシールされ、ボルトなどによって締結されている。
【００２９】
凸形状部２１と支持体１１とは、ガラス系ペーストなどの接着剤５０によって接着されている。それにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが隔離される。例えば、各単セル１０の一方の端部において、溶解したガラス系ペーストで凸形状部２１と支持体１１とを接着固定し、その後に各単セル１０の他方の端部において、溶解したガラス系ペーストで凸形状部２１との支持体１１とを接着固定してもよい。この場合、各単セル１０を一括して固定することができる。
【００３０】
なお、図４を参照して、インターコネクタ３０は、上段並列モジュールの各支持体１１とは接触しているが、カソード１４とは接触していない。また、インターコネクタ３０は、弾性を有し、付勢されていない状態（フリー形状）で下段の並列モジュール側に突出するように湾曲している。それにより、インターコネクタ３０は、下段のカソード１４と接触する際に、接触圧によって付勢される。すなわち、インターコネクタ３０は、バネとして機能する。それにより、単セル１０の熱膨張による寸法変化を吸収することができる。
【００３１】
再度、図３（ａ）を参照して、最下段の並列モジュールの下には、最下段のインターコネクタ３０が配置されている。このインターコネクタ３０は、最下段の並列モジュールの各単セル１０のカソード１４と接触せずに、当該並列モジュールの各単セル１０の支持体１１に接続されている。さらに、当該インターコネクタ３０は、集電板ターミナル６０に接触している。最上段の並列モジュールの上には、図示しないカソード側の集電板ターミナルが接触している。それにより、各並列モジュールの発電電力を取り出すことができる。
【００３２】
集電板ターミナル６０とケース２０の内壁との間には、断熱部材７０が配置されている。この場合、燃料電池スタック１００の放熱を低減することができ、一方でケース２０の温度上昇を抑制することができる。それにより、人体や周辺部品に対する安全性を図ることができる。また、弾力性を有する材料を断熱部材７０に使用することによって、各単セル１０の熱膨張を吸収することができる。
【００３３】
図５は、図３（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図５を参照して、インターコネクタ３０には複数の孔３１が形成されている。それにより、酸化剤ガスが各並列モジュールに供給される。なお、図３（ａ）および図５を参照して、インターコネクタ３０の波形の上段側への各凸部３２は、単セル１０が熱膨張した際にバネとして機能し、単セル１０の熱膨張による寸法変化を吸収することができる。
【００３４】
本実施形態によれば、インターコネクタ３０は、並列モジュール内において各単セル１０を並列接続させる機能と、各並列モジュールを直列接続させる機能とを併せ持っている。それにより、部品が簡素化され、部品間抵抗を低減することができる。また、各単セル１０の組み付け性が向上する。また、必要に応じて並列接続によって定まる電流値と直列接続によって定まる電圧値とを自由に選択することができる。さらに、インターコネクタ３０は、波板形状の凹凸を有することによって、各単セル１０の熱膨張を吸収する機能も併せ持っている。なお、インターコネクタ３０は、支持体１１と同程度または同一の線熱膨張係数の材料で構成されていることが好ましい。支持体１１の長手方向において、支持体１１とインターコネクタ３０との熱膨張差を抑制することができるからである。
【００３５】
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。また、上記実施形態ではインターコネクタは波形断面を有しているが、隣接する並列モジュールの一方の並列モジュールの各カソードと接触せずに各支持体と接触し、他方の並列モジュールの各支持体と接触せずに各カソードと接触していれば、特に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３６】
１０  単セル
１１  支持体
１１ａ  孔
１１ｂ  拡管部
１２  アノード
１３  電解質膜
１４  カソード
２０  ケース
２１  凸形状部
３０  インターコネクタ
４０  燃料マニホールド
５０  接着剤
６０  集電板ターミナル
７０  断熱部材７０
１００  燃料電池スタック
【図１】
2013178956.tif 000003
【図２】
2013178956.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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