JP2007095442A - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 セル外側を流れるガス流を均一にすることで高特性を発揮する固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 最初の隣り合う１本目と２本目のセル１０をノズル部２３に嵌合する。次いで、１本目のセル１０の燃料極支持体の端部と２本目のセル１０の空気極（外周面）に銀ペーストを塗布する。そして、コネクタ３０の第１の集電端子３１の棒状部３４を１本目のセル１０の端部（上端部）に差込み、リング状をなす第２の集電端子３２を空気極に外嵌する。このようにして、最初の２本のセル１０を直列接続したならば、３本目のセル１０を２本目のセル１０の隣のノズル部２３に嵌合し、別のコネクタを用いて第２のセルの燃料極と３本目のセルの空気極とを接続する。このように順番に直列接続することで、スタックを構成するセルが全て直列接続された燃料電池スタックが得られる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池スタックに関する。

燃料電池は複数のスタックを接続して構成される。大きな電流を得たい場合にはスタックを並列接続し、大きな電圧を得たい場合には直列接続する。

前記スタックは複数のセルから構成される。セルには平板型と円筒型のものがある。特許文献１には平板型セルとして、燃料極、電解質および空気極をこの順に積層した隔壁によって、扁平ボックス状をなす基体内を２つの空間に分け、一方の空間に燃料ガス（水素）を他方の空間に空気を送り込む構造が開示され、また円筒型セルとして、円筒型の空気極基体管の外側にインターコネクタ、電解質層、燃料極を形成した構造が開示されている。

平板型セル同士は並列接続、直列接続のいずれも簡単に接続できるが、円筒型セルの場合に隣接するセル同士を直列接続するには、セルの外周面に外側の電極とは電気的に絶縁されたインターコネクタを露出させるなど構造が複雑になる。このため、円筒型セルによって構成されるスタック内では、セルを並列接続し、このスタックを直列接続して必要な電圧を得るようにしている。特に、上記特許文献１の図７Ｂでは、円筒型セルを集合したスタックを複数個直列接続した場合に、軸方向に長くなるのを防止するため、途中で折り返す構成が提案されている。

また、特許文献２〜４にも円筒型セルの接続構造が開示されている。これら先行技術にはいずれもセルの側面の電極同士を集電部材で接続する並列接続と、セルの側面の電極とインターコネクタを集電部材で接続する直列接続が開示されており、集電部材の形状は特許文献２では平面視でＺ字状をなし、特許文献３ではスリット状をなし、特許文献４では帯状をなしている。

特開２００２−２８９２４９号公報 特開２００３−２８２１２７号公報 特開２００３−２８２１０１号公報 特開２００３−２９７３９６号公報

例えば、超小型の燃料電池の場合には、スタックを複数個直列に接続せずに、１つのスタックで燃料電池として使用することが考えられる。このような場合に、スタックを構成するセルを並列接続していたのでは必要な電圧を確保することができない。

円筒型セルの長さ方向に沿って、インターコネクタを形成すれば隣接する円筒型セル同士を簡単に接続することができるが、インターコネクタを形成すると構造が複雑になり、また接続作業も面倒であり、更にスタックとした後に剥離した場合に修理ができないなど多くの問題がある。

また、隣接するセルのうち、一方のセルのインターコネクタと他方のセルの外周面の電極とを直接接続する構造ではセル間の隙間が小さくなり、またセルの軸方向の中間部を集電部材で接続する構造では、セルの外側空間が狭くなる。その結果、燃料ガス（または空気）の流通に支障が生じ、燃料電池として均一な特性が得られない。

上記の課題を解決するため、本発明は、複数の円筒型セルが集合して構成される固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、各セルの長さ方向の端部には燃料極または空気極の一方に接続される第１の集電端子が設けられ、各セルの側面には燃料極または空気極の他方に接続される第２の集電端子が設けられ、互いに隣接するセルの前記第１の集電端子と第２の集電端子とが電気的に接続することで複数のセル全体が直列接続された構成とした。

前記第１の集電端子としては、セルの端部に差し込まれる棒状部を備えたものとし、隣接する前記第２の集電端子は、セルの長さ方向において交互に配置することで干渉するのが避けられ、更に前記第２の集電端子としては、セルを抱持するリング状にすることが考えられる。また、隣接する２つのセルの一方のセルの第１の集電端子と他方のセルの第２の集電端子とを導電性連結部材にて一体化してコネクタとしておくことが好ましい。

本発明によれば、スタックを構成する複数のセルが直列に接続されているので、１つのスタックで大きな電圧を得ることができる。そして、先行技術に示されるような集電部材がセル間の隙間を狭めることがないので、セル外側を流れる燃料ガス（または空気）の流れが阻害されず、均一な流れになるので、高性能のスタックを得ることができる。

また、第１の集電端子がセルの端部に差し込まれる棒状部を備えたものとし、第２の集電端子をセルを抱持するリング状にすることで、スタックの組み立ておよび分解が簡単になり、修理やメンテナンスも楽になる。特に隣接する２つのセルの一方のセルの第１の集電端子と他方のセルの第２の集電端子とを導電性連結部材にて一体化しておけば、更に取り扱いが簡単になる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの全体斜視図、図２はセル単体の斜視図、図３はセルの径方向拡大断面図、図４はヘッダーの斜視図、図５はヘッダーの側面透視図、図６はスタックの接続状態を説明した平面図、図７はスタックの接続状態を説明した側面図、図８（ａ）〜（ｄ）はコネクタの斜視図である。

固体酸化物形燃料電池スタック１は、複数の円筒型セル１０と、この円筒型セル１０に燃料ガス（水素）を供給するヘッダー２０と、隣接する２本の円筒型セル１０を直列接続するコネクタ３０にて構成される。以下に各構成部材の詳細を説明する。

円筒型セル１０は支持体１１の外側に燃料極（触媒層）１２が形成され、この燃料極１２の外側に２層状の固体電解質層１３が形成され、この固体電解質層１３の外側に空気極（触媒層）１４が形成されている。そして、円筒型セル１０の長さ方向の両端部には空気極（触媒層）１４が形成されず、固体電解質層１３が露出している。
上記円筒型セル１０の作製方法の一例を以下に説明する。

（円筒型セルの作製）
ＮｉＯ粉末と、（ＺｒＯ_２）_０．９０（Ｙ_２Ｏ_３）_０．１０組成のＹＳＺ粉末との混合物を湿式混合法で作製後、熱処理、粉砕を行い燃料極支持体原料粉末を得た。ＮｉＯ粉末とＹＳＺ粉末の混合比は重量比で６５／３５とし、該粉末を押出し成形法によって円筒状成形体を作製し、この円筒状成形体を９００℃で熱処理して仮焼体とした。そして、仮焼体の表面に、スラリーコート法によって燃料極反応触媒層、固体電解質層を構成する第１および第２の層の順で成形することで得られた積層成形体を１３００℃で共焼成した。尚、共焼成後の積層成形体の寸法は、外径５ｍｍ、肉厚１ｍｍ、有効セル長１１０ｍｍであった。次いで、セルの両端に幅１０ｍｍずつマスキングを行い、固体電解質層の表面に、スラリーコート法により空気極を成形し、１１００℃で焼成した。

（燃料極反応触媒層スラリーの作製）
ＮｉＯ粉末とＧｄ_０．１Ｃｅ_０．９Ｏ_２の組成のＧＤＣ１０粉末との混合物を共沈法で作製後、熱処理を行い燃料極反応触媒層粉末を得た。ＮｉＯ粉末とＧＤＣ１０粉末の混合比は重量比で５０／５０とした。平均粒子径は０．５μｍとなるよう調節した。該粉末４０重量部を溶媒１００重量部、バインダー２重量部、分散剤１重量部、消泡剤１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。

（固体電解質層（第１の層）スラリーの作製）
第１の層の材料は、Ｌａ_０．４Ｃｅ_０．６Ｏ_２の組成のＬＤＣ４０粉末を用いた。ＬＤＣ４０粉末４０重量部を溶媒１００重量部、バインダー２重量部、分散剤１重量部、消泡剤１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。

（固体電解質層（第２の層）スラリーの作製）
第２の層の材料は、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３の組成のＬＳＧＭ粉末を用いた。ＬＳＧＭ粉末４０重量部を溶媒１００重量部、バインダー２重量部、分散剤１重量部、消泡剤１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。

（空気極スラリーの作製）
空気極の材料は、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．８Ｆｅ_０．２Ｏ_３の組成のＬＳＣＦ粉末を用いた。該粉末４０重量部を溶媒１００重量部、バインダー２重量部、分散剤１重量部、消泡剤１重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調整した。

前記ヘッダー２０は、インコネル製の中空の箱型形状をなし、側面にはガス供給管２１が接続され、表面には絶縁層２２が形成され、更に前記セル１０の基端部が嵌合するノズル部２３が上方に向かって突出している。

上記絶縁層２２を形成するには、ヘッダーを１１００℃で１時間焼成してヘッダー表面に酸化物被膜を形成し、この酸化物被膜の上にスラリーコート法によりセラミック膜を形成し、８００℃で１時間焼成して絶縁層２２を得た。

前記コネクタ３０は第１の集電端子３１、第２の集電端子３２、これら第１の集電端子３１と第２の集電端子３２を電気的に接続する板状をなす導電性連結部材３３から構成される。

第１の集電端子３１は、隣接する２つのセルのうちの一方のセル１０の上端に露出する燃料極（触媒層）１２に銀ペーストを用いて電気的に接続され、またセル１０の端部に差し込まれる棒状部３４を備えている。この棒状部３４は装着の際の位置決めと装着後の抜け止めを図っている。また、棒状部３４は内部に燃料ガスが流れる流路３４ａが貫通して形成されている。

棒状部３４の長さはセルの内径よりも長く且つセルの電解質露出部と同じかそれよりも短くすることが好ましい。セルの内径よりも長くすることで確実に抜けにくくなり、また、電解質露出部と同じかそれよりも短くすることでセルの内側に十分な電極露出面を確保できる。例えば、セル１０の寸法として、外径５ｍｍ、内径３ｍｍ、両端の電解質露出部１０ｍｍとした場合には、棒状部３４については、外径２．８ｍｍ、内径２．６ｍｍ、長さ１０ｍｍとする。

また第２の集電端子３２はセル１０を抱持するリング状をなし空気極１４に銀ペーストを用いて電気的に接続されている。集電端子３２の形状はリング状に限らず、セル１０を抱持できる形状であればよく、例えば一端が開いたＣリング状であってもよい。
例えば、前記と同じセルの場合には、この集電端子３２の寸法については、外径８ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ８ｍｍとする。

ここで、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、コネクタ３０は全て同じ形状をしているのではなく、本実施例にあっては４種類のコネクタ３０を用いている。４種類のコネクタ３０の主な相違点は導電性連結部材３３の長さと向きであり、本実施例にあっては、異なる４種類のコネクタを用意することで、図７にも示したように、隣接するコネクタ３０の第２の集電端子３２同士がセルの長さ方向で交互に配置されており、セル間隔を狭めていっても隣接する第２の集電端子３２同士が接触することがないようにしている。

以上のスタックを組み立てるには、先ず、ヘッダー１０表面の絶縁層２２とセル１０の端部とが嵌合するノズル部２３にガラスペーストを塗布し、最初の隣り合う１本目と２本目のセル１０をノズル部２３に嵌合する。

次いで、１本目のセル１０の燃料極支持体の端部と２本目のセル１０の空気極（外周面）に銀ペーストを塗布する。そして、コネクタ３０の第１の集電端子３１の棒状部３４を１本目のセル１０の端部（上端部）に差込み、リング状をなす第２の集電端子３２を空気極に外嵌する。

このようにして、最初の２本のセル１０を直列接続したならば、３本目のセル１０を２本目のセル１０の隣のノズル部２３に嵌合し、別のコネクタを用いて第２の
セルの燃料極と３本目のセルの空気極とを接続する。このように順番に直列接続することで、スタックを構成するセルが全て直列接続された燃料電池スタックが得られる。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックの全体斜視図 セル単体の斜視図 セルの径方向拡大断面図 ヘッダーの斜視図 ヘッダーの側面透視図 スタックの接続状態を説明した平面図 スタックの接続状態を説明した側面図 （ａ）〜（ｄ）は、第１の集電端子と第２の集電端子とを導電性連結部材にて一体化したコネクタの斜視図

符号の説明

１…固体酸化物形燃料電池スタック
１０…円筒型セル
１１…支持体
１２…燃料極（触媒層）
１３…固体電解質層
１４…空気極（触媒層）
２０…ヘッダー
２１…ガス供給管
２２…絶縁層
２３…ノズル部
３０…コネクタ
３１…第１の集電端子
３２…第２の集電端子
３３…導電性連結部材
３４…棒状部

Claims (4)

1. 複数の円筒型セルが集合して構成される固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、各セルの長さ方向の端部には燃料極または空気極の一方に接続される第１の集電端子が設けられ、各セルの側面には燃料極または空気極の他方に接続される第２の集電端子が設けられ、互いに隣接するセルの前記第１の集電端子と第２の集電端子とが電気的に接続することで複数のセル全体が直列接続されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、隣接する前記第２の集電端子が、セルの長さ方向において交互に配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
3. 請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記第１の集電端子はセルの端部に差し込まれる棒状部を備え、前記第２の集電端子はセルを抱持するリング状をなしていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、隣接する２つのセルの一方のセルの第１の集電端子と他方のセルの第２の集電端子とは導電性連結部材にて一体化したコネクタとなっていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。