WO2026013989A1 - スタック - Google Patents

Abstract

導電板（１３）と端子（１４）との間の抵抗を低減できるスタック（１０）を提供する。スタックは、燃料極（３３）と空気極（３７）とを厚さ方向に隔離する電解質（３６）を含むセル（３２）と、セルに電気的に接続される導電板と、厚さ方向に交わる方向に突き出た端子と、導電板と端子とが溶融し導電板に端子を接続する溶融部（４６）と、を備え、溶融部は、端子の一部が導電板の一部に重なる重なり部（４５）において端子の端部（４８）と導電板の端部（４７）とに存在し、端子の端部および導電板の端部において、溶融部は、重なり部における端子の幅（Ｗ）の３０％以上を占める。

Description

スタック

　本発明は燃料極と空気極とを隔離する電解質を含むセルを備えるスタックに関する。

　燃料極と空気極とを厚さ方向に隔離する電解質を含むセルと、セルに電気的に接続される導電板と、厚さ方向に交わる方向に突き出た端子と、を備えるスタックにおいて、導電板と端子との間に接合部を設ける先行技術は特許文献１に開示されている。

特開２０２２－１０７８７２号公報

　先行技術は導電板と端子との間の接合部に発生するジュール熱が電力損失となるため、導電板と端子との間の抵抗を低減する技術が要求されている。

　本発明はこの要求に応えるためになされたものであり、導電板と端子との間の抵抗を低減できるスタックの提供を目的とする。

　この目的を達成するための第１の態様は、燃料極と空気極とを厚さ方向に隔離する電解質を含むセルと、セルに電気的に接続される導電板と、厚さ方向に交わる方向に突き出た端子と、導電板と端子とが溶融し導電板に端子を接続する溶融部と、を備え、溶融部は、端子の一部が導電板の一部に重なる重なり部において端子の端部と導電板の端部とに存在し、端子の端部および導電板の端部において、溶融部は、重なり部における端子の幅の３０％以上を占める。

　第２の態様は、第１の態様において、溶融部は、重なり部に複数が存在する。

　第３の態様は、第１又は第２の態様において、溶融部は、端子の幅方向に延びる２本である。

　第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかにおいて、溶融部は、重なり部において導電板と端子とを貫通している。

　本発明によれば、導電板に端子を接続する溶融部は、端子の一部が導電板の一部に重なる重なり部において端子の端部と導電板の端部とに存在する。端子の端部および導電板の端部において、溶融部は重なり部における端子の幅の３０％以上を占めるため、重なり部における導電板と端子との間の抵抗を低減できる。

一実施の形態におけるスタックの分解組立図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線における反応単位の断面図である。 セルの厚さ方向から見た導電板および端子の平面図である。 （ａ）は第１実施の形態における重なり部の平面図であり、（ｂ）はＩＶｂ－ＩＶｂ線における重なり部の断面図である。 端子の幅に対する溶融部の割合と、導電板と端子との間の抵抗と、の関係を示す図である。 （ａ）は第２実施の形態における重なり部の平面図であり、（ｂ）は第３実施の形態における重なり部の平面図である。 （ａ）は第４実施の形態における重なり部の平面図であり、（ｂ）は第５実施の形態における重なり部の平面図である。

　以下、本発明の好ましい実施の形態について添付図面を参照して説明する。図１は一実施の形態におけるスタック１０の模式的な分解組立図である。スタック１０は、固体高分子形や固体酸化物形の燃料電池や固体酸化物形の電解装置が例示される。電解装置は、水蒸気電解セル（ＳＯＥＣ）を含むものが例示される。

　スタック１０は、複数の反応単位１１が積層された積層体１２を含む。スタック１０は、積層体１２の厚さ方向の一端の外側に、外に向かって順に、導電板１３、絶縁体１５、エンドプレート１６を含み、積層体１２の厚さ方向の他端の外側に、外に向かって順に、導電板１７、絶縁体１９、エンドプレート２０を含む。導電板１３，１７は、電気回路（図示せず）に接続するための端子１４，１８をそれぞれ含む。

　積層体１２、導電板１３，１７、絶縁体１５，１９、エンドプレート１６，２０の周縁に、積層体１２の厚さ方向に貫通する複数の穴２１が設けられている。穴２１の中に配置されたボルト等の部材（図示せず）によって積層体１２、導電板１３，１７、絶縁体１５，１９、エンドプレート１６，２０が締結される。積層体１２、導電板１３、絶縁体１５及びエンドプレート１６の周縁に、積層体１２の厚さ方向に貫通する４つの穴２２－２５が設けられている。

　穴２２は厚さ方向につながり、燃料ガスを反応単位１１に供給する供給路３０（後述する）を構成する。穴２３は厚さ方向につながり、反応単位１１で燃料ガスが反応した後のガスを含むガスが流れる排出路３１（後述する）を構成する。穴２４は厚さ方向につながり、酸化剤ガスを反応単位１１に供給する供給路を構成する。穴２５は厚さ方向につながり、反応単位１１で反応した後のガスを含むガスが流れる排出路を構成する。

　燃料電池においては、燃料ガスは水素、一酸化炭素、炭化水素が例示され、酸化剤ガスは酸素、空気が例示される。電解装置においては、燃料ガスは水蒸気を含むガスや水蒸気および二酸化炭素を含むガスが例示され、酸化剤ガスは酸素が例示される。水蒸気と二酸化炭素とを含むガスを原料とする電解装置は、水蒸気と二酸化炭素とを含むガスを電気分解により水素と一酸化炭素とを含むガスに変換する共電解システムの一部に相当する。

　図２は図１のＩＩ－ＩＩ線における反応単位１１の断面図であり、一つの反応単位１１を構成する部品を厚さ方向に離して分解した状態が図示されている。本実施形態では固体酸化物形のスタック１０の反応単位１１を説明する。図２は各部の厚さが誇張して図示されている。

　反応単位１１は、厚さ方向に順に、インタコネクタ２６、燃料極フレーム２７、セパレータ付きセル２８、空気極フレーム２９を含む。セパレータ付きセル２８は、セル３２と、セル３２に配置されたセパレータ３８と、を含む。インタコネクタ２６、燃料極フレーム２７、セパレータ３８及び空気極フレーム２９に設けられた穴２２は厚さ方向につながり供給路３０を構成し、厚さ方向につながった穴２３は排出路３１を構成する。

　セル３２は、順に燃料極３３、電解質３６、空気極３７を含む。燃料極３３は、支持体３４と機能層３５とを含み、支持体３４の気孔率が、機能層３５の気孔率よりも高いガス透過性を有する平板状の多孔体である。支持体３４は主に機能層３５を支持する機能をもつ。支持体３４を構成する材料は、機能層３５を構成する材料と同じ材料でも良いし、機能層３５を構成する材料と異なる材料でも良い。支持体３４を構成する材料が、機能層３５を構成する材料と異なる場合には、支持体３４の材料は安定化ジルコニアが例示される。

　機能層３５は、燃料電池においては電解質３６から供給される酸化物イオンと燃料ガスとを反応させて電子を生成する機能をもち、水蒸気電解においては通電により水蒸気を電解して水素と酸化物イオンに変換する機能をもつ。

　機能層３５は、Ｎｉを含む触媒と、Ｙが固溶したジルコニアと、を含む。触媒は、Ｎｉ，Ｎｉ基合金、ＮｉＯと酸化物（電解質）との複合体（焼結体）であるサーメットが例示される。サーメットはＮｉＯの水素還元によりＮｉが生成される。サーメットに含まれる酸化物（電解質）は、Ｙが固溶したジルコニアが例示される。また機能層３５は、Ｎｉを含む触媒と、Ｇｄが固溶したセリアと、を含んでいても良い。

　電解質３６は、セル３２の作動条件で酸化物イオン伝導性を示す板状の部材である。電解質３６は、安定化ジルコニア、セリア系固溶体、安定化ジルコニア及びセリア系固溶体から選択される１種または２種以上とアルミナとの固溶体が例示される。

　空気極３７は電解質３６の中央に配置されている。空気極３７は、燃料電池においては気相の酸化剤（酸素）が電子と反応して酸化物イオンになる場であり、水蒸気電解においては酸化物イオンが電子を放出して酸素になる場である。空気極３７の材料は、ペロブスカイト型酸化物であるＬａ_１－ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３－δ，Ｌａ_１－ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３－δ，Ｌａ_１－ＸＳｒ_ＸＣｏ_１－ＹＦｅ_ＹＯ_３－δ，Ｐｒ_１－ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３－δが例示される。

　セパレータ３８は、空気極３７の周囲に配置された枠状の部材である。セパレータ３８の材料はステンレス鋼が例示される。セパレータ３８は、空気極３７を避けて、ろう材等によって気密に電解質３６に接合されている。

　インタコネクタ２６は、セル３２の厚さ方向の両側に配置された導電性を有する板状の部材である。インタコネクタ２６は、厚さ方向に隣り合う反応単位１１間を電気的に接続する。インタコネクタ２６の材料はステンレス鋼が例示される。

　燃料極フレーム２７は、インタコネクタ２６とセパレータ３８との間に配置された枠状の部材である。燃料極フレーム２７の材料はステンレス鋼が例示される。燃料極フレーム２７は、セル３２と、インタコネクタ２６の中央に設けられた集電体３９と、を囲む。

　集電体３９は、燃料極３３とインタコネクタ２６とを電気的に接続する。集電体３９の材料は、ガス透過性を有するＮｉ等の金属製の多孔体が例示される。燃料極フレーム２７の内側に、インタコネクタ２６、燃料極フレーム２７及びセパレータ３８に囲まれた燃料室４０が設けられる。燃料極フレーム２７に設けられた溝４１は、燃料室４０と穴２２（供給路３０）とをつなぐ。燃料極フレーム２７に設けられた溝４２は、燃料室４０と穴２３（排出路３１）とをつなぐ。

　空気極フレーム２９は、インタコネクタ２６とセパレータ３８との間に配置された枠状の部材である。空気極フレーム２９の材料はマイカ等の絶縁体が例示される。空気極フレーム２９は、インタコネクタ２６の中央に設けられた集電体４３を囲む。集電体４３は空気極３７とインタコネクタ２６とを電気的に接続する。本実施形態では集電体４３はインタコネクタ２６と一体に形成されているが、これに限られるものではない。集電体４３をインタコネクタ２６と別の部材にすることは当然可能である。

　空気極フレーム２９の内側に、インタコネクタ２６、空気極フレーム２９及びセパレータ３８に囲まれた空気室４４が設けられる。セパレータ３８は燃料室４０と空気室４４とを隔離し、燃料室４０内の燃料ガスと空気室４４内の酸化剤ガスとが混ざらないようにする。

　図１に戻って説明する。スタック１０は複数の反応単位１１が直列接続されており、導電板１３，１７は反応単位１１に接続されている。導電板１３，１７は、例えばステンレス鋼等の導電材料で作られた板状の部材であり、それぞれ端子１４，１８が接続されている。端子１４，１８は、反応単位１１の厚さ方向と交わる方向に積層体１２の外へ突き出している。端子１４，１８の材料はニッケル、ニッケル基合金、銅、銅合金、ステンレス鋼が例示される。

　絶縁体１５，１９は、絶縁体からなる板状の部材である。絶縁体１５は導電板１３とエンドプレート１６との間を電気的に絶縁し、絶縁体１９は導電板１７とエンドプレート２０との間を電気的に絶縁する。

　図３はセル３２の厚さ方向から見た導電板１３及び端子１４の平面図である。図３は導電板１３の中間部分の図示が省略されている。重なり部４５において端子１４の一部が導電板１３の一部に重なっている。端子１４のうち重なり部４５以外の部分は導電板１３の縁の外に出ている。

　図４（ａ）は第１実施の形態における重なり部４５の平面図である。図４（ｂ）はＩＶｂ－ＩＶｂ線における重なり部４５の断面図である。図４（ａ）は導電板１３の一部の図示が省略され（図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｂ）においても同じ）、図４（ｂ）は導電板１３及び端子１４の一部の図示が省略されている。

　重なり部４５に溶融部４６が設けられている。溶融部４６は、端子１４から導電板１３に向かって重なり部４５にレーザビームを照射するレーザ溶接によって作られる。溶融部４６は導電板１３と端子１４とが溶け合って凝固している。溶融部４６によって端子１４は導電板１３に接合されている。

　溶融部４６は、重なり部４５における導電板１３の端部４７と端子１４の端部４８とに少なくとも一部が存在する。導電板１３の端部４７は、導電板１３の縁１３ａから重なり部４５の長さ（図４（ｂ）左右方向の寸法）の２０％の長さの範囲である。端子１４の端部４８は、端子１４の縁１４ａから重なり部４５の長さの２０％の長さの範囲である。溶融部４６は、端子１４の端部４８及び導電板１３の端部４７において、重なり部４５における端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める。これは溶融部４６のうち端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分が、端部４７の少なくとも一部に存在し、端部４８の少なくとも一部に存在することをいう。

　本実施形態では、溶融部４６は導電板１３と端子１４とを貫通している。溶融部４６は凝固するときに収縮するため、溶融部４６が導電板１３と端子１４とを貫通していない場合に比べ、溶融部４６の収縮に伴う重なり部４５の変形を低減できる。

　導電板１３と端子１４とを溶融部４６が貫通している場合は、導電板１３と端子１４のどちらの面に溶融部４６が大きく露出しているかを調べ、溶融部４６が露出する面積が大きい方の面で、端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分に溶融部４６が存在するかどうかを調べる。本実施形態は、端子１４から導電板１３に向かって重なり部４５にレーザビームを照射して溶融部４６が作られているため、端子１４に溶融部４６が露出する面積の方が、導電板１３に溶融部４６が露出する面積よりも大きい。従って重なり部４５の端子１４に、端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分に溶融部４６が存在するかどうかを調べる。

　重なり部４５では主に溶融部４６の端を通って端子１４と導電板１３との間に電流が流れる。端子１４の端部４８及び導電板１３の端部４７に溶融部４６が存在し、端部４７，４８において重なり部４５における端子１４の幅Ｗの３０％以上を溶融部４６が占めると、端子１４から導電板１３へ向かって流れる電流は、主に端部４７に設けられた溶融部４６を通って流れ、導電板１３から端子１４へ向かって流れる電流は、主に端部４８に設けられた溶融部４６を通って流れる。溶融部４６による電流の通り道を短くすることができ、さらに端部４７，４８に溶融部４６が存在することで溶融部４６の断面積を拡大できるため、重なり部４５における導電板１３と端子１４との間の抵抗を低減できる。

　図５は端子１４の幅Ｗに対する溶融部４６の割合と、導電板１３と端子１４との間の抵抗と、の関係を示す図である。図５は幅Ｗに対する溶融部４６の割合を横軸にとり、導電板１３と端子１４との間の抵抗を縦軸にとる。抵抗（縦軸）は、溶融部４６の幅が端子１４の幅Ｗに等しいとき（割合は１００％）の抵抗を基準にして、基準に対する抵抗の比率がプロットされている。

　図５によれば端子１４の幅Ｗに対する溶融部４６の割合が小さくなるにつれて抵抗は大きくなり、割合が３０％未満になると割合の減少率に比べて抵抗の増加率が飛躍的に大きくなる。従って重なり部４５における導電板１３と端子１４との間の抵抗を低減するために、端子１４の幅Ｗに対する溶融部４６の割合は３０％以上が好ましく、より好ましくは４０％以上であり、５０％以上がさらに好ましい。

　図４（ａ）に戻って説明する。溶融部４６は重なり部４５に複数（本実施形態では２本）存在する。各々の溶融部４６と同じ長さで同じ幅の溶融部が重なり部４５に１つ設けられている場合に比べ、溶融部４６の数の分だけ、溶融部４６の断面積の総和を大きくできる。従って重なり部４５における抵抗を低減できる。

　本実施形態では溶融部４６は端子１４の幅方向に延びる２本である。これにより端部４７，４８のうち端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分に、容易に、溶融部４６をそれぞれ設けることができる。従って端子１４の溶接の作業に要する時間を低減できる。

　図６（ａ）は第２実施の形態における重なり部４９の平面図である。第２実施形態では第１実施形態で説明した部分と同一の部分に同一の符号を付して以下の説明を省略する（図６（ｂ）、図７（ａ）及び図７（ｂ）においても同じ）。

　端子１４と導電板１３とが重なる重なり部４９において、溶融部４６は、端子１４の幅方向に４本が延びている。溶融部４６は、導電板１３の端部４７に断続的に２本が設けられ、端子１４の端部４８に断続的に２本が設けられている。溶融部４６は、端部４７，４８のうち端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分にそれぞれ設けられている。第２実施形態は、第１実施形態と同様に重なり部４９における導電板１３と端子１４との間の抵抗を低減できる。

　図６（ｂ）は第３実施の形態における重なり部５０の平面図である。端子１４と導電板１３とが重なる重なり部５０において、溶融部４６は、端子１４の幅方向に３本が延びている。溶融部４６は、導電板１３の端部４７に１本が設けられ、端子１４の端部４８に１本が設けられ、端部４７と端部４８との間に１本が設けられている。溶融部４６は、端部４７，４８のうち端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分にそれぞれ設けられている。第４実施形態は、重なり部５０における抵抗を低減し、さらに端部４７と端部４８との間に設けられた溶融部４６により、重なり部５０における接合強度を向上できる。

　図７（ａ）は第４実施の形態における重なり部５１の平面図である。端子１４と導電板１３とが重なる重なり部５１において、溶融部４６は、端子１４の長さ方向に４本が延びている。溶融部４６は、導電板１３の端部４７と端子１４の端部４８との間に４本が設けられている。溶融部４６の総和は、端部４７，４８のうち端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める。第４実施形態は、端部４７と端部４８との間をつなぐ溶融部４６により、重なり部５１における導電板１３と端子１４との間の抵抗を低減できる。

　図７（ｂ）は第５実施の形態における重なり部５２の平面図である。端子１４と導電板１３とが重なる重なり部５２において、溶融部４６は、端子１４の幅方向に延びた２本の端がつながっている。溶融部４６は、導電板１３の端部４７と端子１４の端部４８とをつないでいる。溶融部４６は、端部４７，４８のうち端子１４の幅Ｗの３０％以上を占める部分にそれぞれ設けられている。第５実施形態は、重なり部５２における抵抗を低減し、さらに端部４７と端部４８との間をつなぐ溶融部４６により、重なり部５２における接合強度を向上できる。

　以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

　実施形態では導電板１３と端子１４とを接合する溶融部４６を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。導電板１７と端子１８とを接合する溶融部（図示せず）を、導電板１３と端子１４とを接合する溶融部４６と同様に設けることは当然可能である。

　実施形態ではセル３２や導電板１３，１７の厚さ方向から見た形が四角形である場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。セル３２や導電板１３，１７の形は円形、楕円形、四角形以外の多角形など任意に設定できる。

　実施形態では燃料極支持型のセル３２を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。電解質支持型や金属支持型のセル３２を用いることは当然可能である。

　実施形態では固体酸化物形のスタック１０を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。供給路３０や排出路３１等に加え、冷却水を流す通路をセル３２の周囲に設け、固体高分子形のスタック１０とすることは当然可能である。

　１０　スタック
　１３　導電板
　１４　端子
　３２　セル
　３３　燃料極
　３６　電解質
　３７　空気極
　４５，４９，５０，５１，５２　重なり部
　４６　溶融部
　４７　導電板の端部
　４８　端子の端部
　Ｗ　　端子の幅

Claims (4)

1. 　燃料極と空気極とを厚さ方向に隔離する電解質を含むセルと、
   　前記セルに電気的に接続される導電板と、
   　前記厚さ方向に交わる方向に突き出た端子と、
   　前記導電板と前記端子とが溶融し前記導電板に前記端子を接続する溶融部と、を備えるスタックであって、
   　前記溶融部は、前記端子の一部が前記導電板の一部に重なる重なり部において前記端子の端部と前記導電板の端部とに存在し、
   　前記端子の前記端部および前記導電板の前記端部において、前記溶融部は、前記重なり部における前記端子の幅の３０％以上を占めるスタック。
2. 　前記溶融部は、前記重なり部に複数が存在する請求項１記載のスタック。
3. 　前記溶融部は、前記端子の幅方向に延びる２本である請求項２記載のスタック。
4. 　前記溶融部は、前記重なり部において前記導電板と前記端子とを貫通している請求項１から３のいずれかに記載のスタック。