JP2004288541A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【目的】セル集合体を複数並べセル集合体接続用導電部材により電気的に接続しかつその周囲を絶縁部材により囲み固定した燃料電池ユニットの形成を前提とし、この燃料電池ユニット間の簡便な電気的機械的接続および切離し手段を提供する。
【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、複数の前記セル集合体をセル集合体接続用導電部材により電気的に接続し、周囲を絶縁部材で囲み、外部との電気的接続をする燃料電池ユニット接続用導電部材を有する燃料電池ユニットと、を備え、複数の前記燃料電池ユニットを電気的に接続した燃料電池システムであって、向かい合う前記燃料電池ユニットの前記燃料電池ユニット接続用導電部材同士が機械的に接続固定されている部分と、前記絶縁部材側面に沿って折り曲げ可能となる変形部分を有していることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

【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、特に燃料電池ユニット間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７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Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４などの燃料ガスを流すと、この燃料電池セル１内でＯ_２−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（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４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（ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ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。 通常の燃料電池システムにあっては、１個の燃料電池セル１おける発電量は燃料電池セル１の大きさにもよるが数十ワット程度なので、多数の燃料電池セル１をセル接続用導電部材３により直列および並列に接続して所要の出力を得る。従来では、組立性、メンテナンス性などを考慮し、例えば３並列３直列のように取り扱いのしやすい大きさにセル接続用導電部材３で接続してセル集合体６を形成し、これらを必要な数だけセル集合体接続用導電部材４により直列または並列に接続することで十分な発電出力を得ている。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
このような従来の燃料電池の構成では、一般に接触抵抗を低減および電気的接続の信頼性を高めるためセル集合体６は予め焼成処理により固着されており、またセル集合体６間のセル集合体接続用導電部材４による接続に関しても発電モジュール８の組立過程において溶接によって機械的に接続されるかあるいは予備過熱や運転過程において焼結され固着される。
このため、万一燃料電池セル１の一部に不具合が生じても当該燃料電池セル１または当該セル集合体６だけを他の燃料電池セル１に影響を与えず切り離すことができず、全ての燃料電池セル１を交換することとなりたいへん不経済である。
セル集合体６の切離し手段に関しては、セル集合体接続用導電部材４の端辺部同士を溶接する例が提案されており非常に有効である。（例えば、特許文献２参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２５０５７５号公報（第２頁、第１図）
【特許文献２】
特表２００２−５０２１００号公報（第９−１１頁、第１−５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしセル集合体接続用導電部材４の端辺部同士を溶接する提案では、発電モジュール８の中央に位置するセル集合体６を直接切離すことはできず、結局セル集合体６が直列方向に直線状に繋がった端々の折り返し接続部でしか容易な切離しができない。つまりセル集合体６が並列方向に比べ直列方向がかなり長いＩ型形状で取り扱うこととなり、セル集合体６間の接続強度および燃料電池セル１間の接続強度を勘案すると非常に取り扱いの慎重さを要する。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、まずセル集合体６を複数並べセル集合体接続用導電部材４により電気的に接続しかつその周囲を絶縁部材８により囲み固定した燃料電池ユニット７の形成を前提とし、この燃料電池ユニット７間の簡便な電気的機械的接続および切離し手段を提供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、向かい合う燃料電池ユニットの燃料電池ユニット接続用導電部材同士が機械的に接続固定されている部分と、絶縁部材側面に沿って折り曲げ可能となる変形部分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。
これによれば、燃料電池ユニット間の接続を容易に行うことができ、切離しも容易に行うことができるため、燃料電池システムのメンテナンス性が著しく向上する。またさらに燃料電池ユニット接続用導電部材同士の接続後の燃料電池ユニット接続用導電部材が折り曲がることにより燃料電池ユニット同士の隙間を最小限にすることができ、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。
【０００９】
第二の発明においては、燃料電池ユニット接続用導電部材が、折り曲げにより前記絶縁部材間に収まることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これによれば、燃料電池ユニット接続用導電部材同士の接続後の燃料電池ユニット接続用導電部材が外部の金属部分と接触し短絡することがなく、別途燃料電池ユニット接続用導電部材に対する絶縁部品を準備する必要がなくなる。
【００１０】
第三の発明においては、燃料電池ユニット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。
これによれば、燃料電池ユニット接続用導電部材の折り曲げが容易で、折り曲げ後の反力が性能および信頼性に影響を及ぼすことがない。
【００１１】
第四の発明においては、燃料電池ユニット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。
これによれば、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、燃料電池ユニット接続用導電部材の変形の際に必要な力が比較的小さくできる。
【００１２】
第五の発明においては、燃料電池ユニット接続用導電部材同士は合わせ面の端辺部分を溶接することにより接続されることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これによれば、確実な電気的機械的接合を燃料電池システム組立て現場で容易に行うことができ、またその端辺の溶接部分を切断や切削などの手段により現場で容易に切離すことができる。
【００１３】
第六の発明においては、燃料電池ユニット接続用導電部材同士が合わせ面をスポット溶接することにより接続されることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これによれば、確実な電気的機械的接合を燃料電池システム組立て現場で容易に行うことができ、またその端辺の溶接部分を切断や打ち抜きなどの手段により現場で容易に切離すことができる。さらに、スポット溶接は最も機械化の進んだ溶接手段のひとつであり、燃料電池システム組立ての燃料電池ユニット接続用導電部材接合工程を容易に自動化することができる。
【００１４】
第七の発明においては、燃料電池ユニット接続用導電部材同士がボルトナットにより接続されることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
これによれば、確実な電気的機械的接合を燃料電池システム組立ておよび切離しを現場で容易に行うことができる。
【００１５】
第八の発明においては、絶縁部材には前記燃料電池ユニット接続用導電部材を収める凹部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。
これによれば、燃料電池ユニット接続用導電部材を折り曲げた部分を絶縁材の凹部に収めることができる。よって折り畳まれた燃料電池ユニット接続用導電部材の厚み分の隙間が燃料電池ユニット間に発生し、その隙間から燃料が漏洩するのを回避することができ、燃料を最大限発電に利用することができる。
【００１６】
第九の発明においては、燃料電池ユニット接続用導電部材はセルの軸方向で複数に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。
これによれば、燃料電池ユニット接続用導電部材同士の接続工程で接続面の位置または角度に少量のズレが生じた場合でも、分割された小さい範囲内でズレが完了するのでズレ量の値が小さくなる。よって、燃料電池ユニット接続用導電部材に接続作業誤差に起因する意図しない応力の発生を未然に防ぐまたは緩和することができ、信頼性の高い燃料電池の運転を実現できる。
【００１７】
【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から６で示す例では、９本の燃料電池セル１がセル接続用導電部材３により３直列×３並列に接続されセル集合体６を形成している。一般にセル集合体６は予め焼成処理により燃料電池セル１とセル接続用導電部材３が拡散接合されて一体物となっている。セル集合体６の直列数並列数は焼成処理工程および燃料電池システム組立て工程におけるハンドリング、焼成装置の規模の制約、燃料電池システムにおけるセル集合体６のレイアウトなどを考慮して決定され、状況によっては６直列×２並列や１直列×３並列のように自由に組み方を選択できる。セル集合体接続用導電部材４はセル集合体６を直列方向に接続し拡張する役割を持ち、セル集合体６を直線的に接続する場合や１８０°折り返し接続する場合がある。この周囲に絶縁部材８を配備し、直列に接続されたセル集合体６の両端には燃料電池ユニット接続用導電部材５の片側が接続され、残る片側は絶縁部材８の外に配置される。これらセル集合体６、セル集合体接続用導電部材４、燃料電池ユニット接続用導電部材５、絶縁部材８により形成され一固体として取り扱える状態としたものが燃料電池ユニット７である。ここでは、１つのセル集合体６内に２箇所の直線的接続と１箇所の１８０°折り返し接続を設けて４つのセル集合体６をコ字状に形成している例を示しているが、任意の数のセル集合体６を任意の配置で燃料電池ユニット７を形成できる。燃料電池システムはこの燃料電池ユニット７を複数、電気的機械的に接続することで所望する発電出力を得ることができる。
【００１８】
次に燃料電池ユニット７間の接続構造について説明する。図１−ａは接続するべき燃料電池ユニット７が左右で向かい合って状態を示しており、燃料電池ユニット接続用導電部材５が絶縁部材８の外側で２箇所の折り曲げ可能な部分を持つＶ字形状を有している。この燃料電池ユニット接続用導電部材５を機械的に接続した状態が図１−ｂである。さらに図１−ｃのように、燃料電池ユニット接続用導電部材５の折り曲げ可能な部分を絶縁部材８の側面に沿うように変形させることが可能であるため、２つの燃料電池ユニット７間の隙間を最小限にすることができる。また、図１−ｃのように絶縁部材８の側面に沿うように変形させる後、燃料電池ユニット接続用導電部材５が向かい合う絶縁部材８の間に収まり、絶縁部材８の外にはみ出さないように燃料電池ユニット接続用導電部材５の寸法を調整することができ、例えば燃料電池ユニット７の周囲に金属製のガスシール容器などを配置しても、燃料電池ユニット接続用導電部材５がガスシール容器に接触し漏電することはない。逆に燃料電池ユニット７を切離したい場合は、図１−ｂのように燃料電池ユニット接続用導電部材５の折り曲げ可能な部分を絶縁部材８から離れるように変形させながら２つの燃料電池ユニット７間の隙間を広げ、図１−ａのように燃料電池ユニット接続用導電部材５の機械的接続部分を切離すことで、２つの燃料電池ユニット７を安全に切離すことができる。
ここの例では、燃料電池ユニット接続用導電部材５は絶縁部材８の外側で２箇所の折り曲げ可能な部分を持つＶ字形状を有しているが、これに限らずＷ字形状、く字形状などさまざまな形状で前述の機能を発揮することが可能である。
【００１９】
前述したように燃料電池ユニット接続用導電部材５には折り曲げ可能となる部分が必要となるため、厚みの薄い方が変形抵抗が小さく有利となるが、導電抵抗が増加してしまう。よって両者のバランスをとるため少なくとも折り曲げ部分は厚みが０．０５ｍｍから１．５ｍｍの薄板となっていることが望ましい。
また材料としては高温雰囲気でも耐酸化性および導電性に優れるニッケルまたはニッケル合金が望ましい。特にニッケルは高温で非常に柔らかい材料であるため、燃料電池ユニット接続用導電部材の変形の際に必要な力が比較的小さくできる。
【００２０】
次に燃料電池ユニット７間の接続部分の詳細について説明する。図２は燃料電池ユニット７間の接続の一実施例を略示する図である。ここでは、２つの燃料電池ユニット接続用導電部材５の端面を合わせてその端辺部分を溶接することで電気的機械的に接続している。ＴＩＧ溶接などの一般的な溶接で薄板同士を溶接する場合、端面を合わせてその端辺部分の溶接が比較的容易である。また、切離す際はこの端辺の溶接部分を金はさみのような切断道具でカットするかあるいはサンダーような研削道具で削り取ることで切離すことができ、かつ再度端面を合わせてその端辺部分を溶接することができる。溶接は燃料電池ユニット接続用導電部材５の長手方向の上から下まで連続溶接することが望ましいが、導電抵抗の許容する範囲内で断続溶接となってもかまわない。
【００２１】
図３は燃料電池ユニット７間の接続の別の一実施例を略示する図である。ここでは、２つの燃料電池ユニット接続用導電部材５の端面を合わせてその合わせ面をスポット溶接することで電気的機械的に接続している。スポット溶接は抵抗溶接の一種で、薄板の溶接および溶接の自動化に有効である。切離す際はスポット溶接部分を打ち抜くことで切離すことができ、かつ再度接続する際は合わせ面上の別の箇所でスポット溶接を施すことが可能である。溶接箇所の個数は溶接部分の直径（ナゲット径という）から溶接面積を計算し、導電抵抗が許容する範囲内となるよう溶接箇所数を決定する。
【００２２】
図４は燃料電池ユニット７間の接続の別の一実施例を略示する図である。ここでは、２つの燃料電池ユニット接続用導電部材５の端面を合わせてその合わせ面をボルトナットで接続している。ボルトナットは最も簡単な着脱可能部品である。高温時においても有効な締結力を発揮させるためにはスプリングワッシャ−を使用しておくことが望ましい。ボルトナットの個数はスポット溶接と同様、ボルトナットの接触面積を計算し、導電抵抗が許容する範囲内となるようボルトナット箇所数を決定する。
【００２３】
図５は燃料電池ユニット７間の接続の別の一実施例を略示する図である。ここでは、絶縁部材８の側面に凹部１３を設けてあり、ここに折り曲げ畳まれた燃料電池ユニット接続用導電部材５が収まるようになっている。凹部の深さは折り曲げ畳まれた燃料電池ユニット接続用導電部材５の厚みと溶接やボルトなどの接続部分の厚み、さらに接続加工精度に起因する折り曲げ畳み時の歪が考慮されて決定する。
【００２４】
図６は燃料電池ユニット７間の接続の別の一実施例を略示する図である。ここでは、燃料電池ユニット接続用導電部材５を長手方向に５分割している例を示している。こうすることにより例えば燃料電池ユニット接続用導電部材５同士の接続工程で接続面の位置がずれて溶接部分が斜めになり溶接上端と下端で垂直から５ｍｍの歪が生じた場合でも、分割された小さい範囲内でズレが完了するのでズレ量の値が１／５の１ｍｍと小さくすることができる。分割数は任意に設定してよい。
【００２５】
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の接続前、接続後、収納後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】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６】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７】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。
【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 セル集合体接続用導電部材
５ 燃料電池ユニット接続用導電部材
６ セル集合体
７ 燃料電池ユニット
８ 絶縁部材
９ 端辺部溶接部
１０ スポット溶接部
１１ ボルトナット
１２ 凹部

Claims (9)

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、
   複数の前記セル集合体をセル集合体接続用導電部材により電気的に接続し、周囲を絶縁部材で囲み、外部との電気的接続をする燃料電池ユニット接続用導電部材を有する燃料電池ユニットと、を備え、複数の前記燃料電池ユニットを電気的に接続した燃料電池システムであって、
   向かい合う前記燃料電池ユニットの前記燃料電池ユニット接続用導電部材同士が機械的に接続固定されている部分と、前記絶縁部材側面に沿って折り曲げ可能となる変形部分を有していることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池ユニット接続用導電部材は、折り曲げにより前記絶縁部材間に収ま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。
3. 前記燃料電池ユニット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１〜２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池ユニット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１〜３のいづれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池ユニット接続用導電部材同士は合わせ面の端辺部分を溶接することにより接続されることを特徴とする請求項１〜４のいづれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池ユニット接続用導電部材同士は合わせ面をスポット溶接することにより接続されることを特徴とする請求項１〜４のいづれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池ユニット接続用導電部材同士はボルトナットにより接続されることを特徴とする請求項１〜４のいづれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記絶縁部材には前記燃料電池ユニット接続用導電部材を収める凹部を有することを特徴とする請求項１〜７のいづれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池ユニット接続用導電部材はセルの軸方向で複数に分割されていることを特徴とする請求項１〜８のいづれか一項に記載の燃料電池システム。

Images