JP5569868B2 - 燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池セルスタック及びそれらを含む燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池セルスタック、及び、それらを含む燃料電池に関し、更に詳細には、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池セルスタック、及び、それらを含む燃料電池に関する。

従来から、管状の燃料電池セルを有する燃料電池セルユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で開示された燃料電池セルユニットは、燃料電池セルの端部に金属からなる集電端子を有しており、導電性のシール材、即ち金属ロウ材が、内側電極の露出集面（１６ａ）と集電端子とを接続するよう配置された構造となっている。

特開２００８−７１７１２号公報

このような場合、セル端部側面の電極と集電端子とをロウ付けにて接続する際、セル端部側面と集電端子の内面との間のみに金属ロウ材を介在させた状態で集電端子を取付け、その後加熱によりロウ付けしていた。

しかし、内部電極はセラミックであるため、一般に金属ロウ材の濡れ性が悪い。このため、ロウ付けの過程で「ヒケ」という現象が発生し、セル端部側面の電極の一部がロウ材に濡れず、ロウ材が電極の露出部上から移動してしまう場合が生じていた。ロウ材の「ヒケ」が発生すると、電極と集電端子との電気的な接触面積がばらついて集電性能が悪化してしまうし、最悪の場合は電気的接続の遮断、ガスリークが生じる可能性もあった。

そこで、本発明は、集電端子を確実にロウ付け固定できる燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池スタック及びそれらを含む燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために、燃料電池に使用される本発明による燃料電池セルユニットは、内部に燃料ガス流路を形成する管状の内側電極層と、前記内側電極層を覆うよう管状に配置された外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層との間に管状に配置された電解層とを備え、前記内側電極層の端部は、前記電解層と前記外側電極層に対して露出された管状の外周面と、前記管状の軸方向の端面とを備えている管状の燃料電池セルと、前記内側電極層の前記外周面と前記端面との両方を覆うと共に前記端面側の中央に前記燃料ガス流路と連通する流路を備え、前記内側電極層の前記外周面に対してロウ付けにて接合された集電端子と、からなる燃料電池セルユニットにおいて、前記ロウ付けは、前記内側電極層と前記集電端子との電気的接続を確保し、且つ前記内側電極層と前記集電端子との間における燃料ガスの漏洩を防止する金属材料のロウ材で行われるものであり、前記ロウ材は前記集電端子と前記外周面との間から前記集電端子と前記端面との間にかけて一体となった状態で配置されていることを特徴とした。

このように構成された燃料電池セルユニットでは、ロウ材は集電端子と外周面との間から集電端子と端面との間にかけて一体となった状態で配置されているので、ロウ付け工程においてロウ溶解時に、液体となったロウ材が、露出した電極上から「ヒケ」によって移動してしまうことが防止される。その結果、電極と集電端子の内面との間の接合を安定的に行うことができ、電気的な接触面積のばらつきや電気的接続の遮断、及びガスリークの発生を防止することができる。

より詳しくは、ロウ付け工程において、ロウ溶解時に液体となった集電端子と端面との間のロウ材が呼び水として機能し、集電端子と外周面との間に配置され同じく液体となっているロウ材を、セル端部近傍に保持する。その結果、液体となった集電端子と外周面との間のロウ材が、露出した電極上から「ヒケ」によって移動してしまうことが防止される。また、セル端面が電気的な接触面として機能するため安定した集電性能を発揮できる。

また、集電端子と外周面との間のロウ材と集電端子と端面との間のロウ材とが同一材料であるので、ロウ付け工程においてロウ溶解時に、それぞれのロウ材が馴染みやすい性質を発揮する。即ち、ロウ溶解時において、集電端子と外周面との間のロウ材と集電端子と端面との間のロウ材とが一体となりやすく、集電端子と端面との間のロウ材が確実に呼び水として機能するため、「ヒケ」を防止することができる。

本発明による燃料電池セルユニットの実施形態において、好ましくは、ロウ材は端面の全周に配置されていることを特徴とした。

このように構成された燃料電池セルユニットでは、集電端子と外周面との間のロウ材と集電端子と端面との間のロウ材とが燃料電池セルの端面の全周において接続されているので、集電端子と外周面との間のロウ材がセル端部全周に渡って保持されることとなり、ガスリークの発生を確実に防止することができる。

また、上記目的を達成するために、本発明による燃料電池は、上述した燃料電池セルユニットを含む。

以上説明した通り、本発明による燃料電池セル体、燃料電池セルユニット、燃料電池スタック及びそれらを含む燃料電池によれば、安定した集電性能を維持しつつ、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

本発明の実施形態による固体電改質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の実施形態による固体電改質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す断面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 従来の形態に係る固体電改質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 従来の形態に係る固体電改質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、内側電極層と集電端子との接続が、金属ロウ材によって理想的に行われた状態を示す断面図である。 従来の形態に係る燃料電池セルユニットにおいて、金属ロウ材の「ヒケ」が生じた状態を示す断面図である。 従来の形態に係る燃料電池セルユニットにおいて、金属ロウ材の「ヒケ」が全周に渡り生じた状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルユニットにおいて、集電端子装着前の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る集電端子内に、金属ロウ材を配置した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る集電端子内に、金属ロウ材を配置する様子を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルユニットにおいて、燃料電池セルに対して集電端子を装着した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池セルユニットにおいて、ロウ付け処理が完了した状態を示す断面図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）及びこのＳＯＦＣに使用される燃料電池セル集合体を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の第１実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材（図示せず）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、残余の燃料ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて発電用空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される第発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。

改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。

このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。

次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。

空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。

次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図３に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、従来の形態に係る固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された集電端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた集電端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた集電端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の端部９０ａは、電解層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと端面９０ｃとを備えている。即ち、燃料電池セルユニット１６の端部側面である外周面９０ｂ、及び端面９０ｃにおいて、それぞれ内側電極層９０が露出した構造となっている。集電端子８６は、金属ロウ材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。また、集電端子８６は、突出した筒状部分８６ａと平坦面８６ｂを備え、筒状部分８６ａの内部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

図５は、従来の形態に係る固体電改質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、内側電極層９０と集電端子８６との接続が、金属ロウ材９６によって理想的に行われた状態を示す断面図である。同図においては、内側電極層９０の外周面９０ｂ全体が金属ロウ材９６に濡れた状態で、集電端子８６に接合されている。このような状態で接合されていれば、内側電極層９０と集電端子８６との電気的接続は安定かつ均一になされており、また燃料ガス流路８８を通過する燃料ガスが外部に流出する経路を確実に遮断することができる。

しかしながら、従来の燃料電池セルユニット１６においては、図５に示したような理想的な接続が行われることは稀であった。実際には図６に示したように、金属ロウ材による接合の過程において生じる金属ロウ材のヒケに起因し、金属ロウ材が内側電極相９０の端面９０ｃの角部１００から離れるように移動し、外周面９０ｂの一部、又は全部が、金属ロウ材と濡れていない状態で集電端子８６と接合された状態となることが多い。
このような状態では、燃料ガス流路８８を通過する燃料ガスが外部に流出する経路ができてしまう可能性があることに加え、内側電極層９０と集電端子８６との電気的接続がセル毎にばらつくこととなってしまう。尚、内側電極層９０は、その端面９０ｃと直接接触することによっても電気的に接続されてはいるが、その接続状態は不安定であり、ロウ付けの過程において非接続の状態となってしまう場合もある。その結果、図７に示すように、金属ロウ材の「ヒケ」が全周に渡り生じて、内側電極層９０と集電端子８６との電気的接続が確保できない場合すら生じていた。

以下より、図８から図１２を参照しながら、本発明の実施形態に係る燃料電池セルユニット１６の構造を説明する。図８に示したのは、本発明の実施形態に係る燃料電池セルユニット１６において、集電端子８６装着前の状態を示す断面図である。燃料電池セルユニット１６の端部９０ａ側面において、集電端子８６の内周面と対向する部分に対しペースト状の金属ロウ材９６ａ（第一のロウ材）を塗布してあり、この点については従来の構成に係る燃料電池セルユニット１６と同様である。

従来は、図８に示した状態の燃料電池セルユニット１６に対し、集電端子８６を装着してロウ付け処理を行っていた。それに対し本実施形態においては、図９及び図１０に示したように、中央に貫通穴を形成し円盤状に加工された板状の金属ロウ材９６ｂ（第二のロウ材）を集電端子８６内に配置した後、係る集電端子８６を、図８に示した燃料電池セルユニット１６に装着する点が異なっている。その結果、図１１に示したように、集電端子８６と外周面９０ｂとが対向する面のみならず、集電端子８６と端面９０ｃとが対向する面においても、金属ロウ材を配置した状態となる。

その状態で加熱によるロウ付け処理を行うと、図１２に示すように、ペースト状の金属ロウ材９６ａ（第一のロウ材）と板状の金属ロウ材９６ｂ（第二のロウ材）が溶解して一体となる。このとき、ペースト状の金属ロウ材９６ａ（第一のロウ材）は、板状の金属ロウ材９６ｂ（第二のロウ材）が溶解して「呼び水」となることにより、端面９０ｃの角部１００において全体（全周）に渡り保持された状態となるため、金属ロウ材とセラミックス表面との濡れ性の悪さに起因する「ヒケ」の発生が防止される。

その結果、図１２に示すように、ペースト状の金属ロウ材９６ａ（第一のロウ材）と板状の金属ロウ材９６ｂ（第二のロウ材）が一体となった状態のまま、ロウ付け処理が完了する。従って、「ヒケ」の発生は生じることが無く、内側電極層９０と集電端子８６との電気的接続は確実に確保され、且つ燃料ガスの漏洩も確実に防止される。

尚、本実施例に示したペースト状の金属ロウ材９６ａ（第一のロウ材）は、板状の金属ロウ材（第二のロウ材）と同一材料からなるロウ材粒子をバインダー内に多数配置せしめたものである。従って、ロウ付け工程においてロウ材が溶解した際、それぞれのロウ材が馴染みやすい性質を発揮する。即ち、ロウ溶解時において、第一のロウ材と第二のロウ材とが一体となりやすく、第二のロウ材が確実に呼び水として機能する効果を発揮している。

本実施例では、第一のロウ材としてペースト状の金属ロウ材を採用し、第二のロウ材として板状の金属ロウ材を採用した例を説明したが、本発明の実施態様としてはこれに限らない。燃料電池セルユニット１６の端部９０ａ側面に対し板状の金属ロウ材を巻きつけ、第一のロウ材としても良いし、逆に、ペースト状の金属ロウ材を集電端子８６内に配置し、第二のロウ材としても良い。

１ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング
６ａ 前面
６ｂ 後面
８ 密封空間
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２０ａ 蒸発部
２０ｂ 改質部
２２ 空気用熱交換器
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３２ 遮断弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料流量調整ユニット
４０ 空気供給源
４２ 電磁弁
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６０ 純水導入管
６２ 被改質ガス導入管
６４ 燃料ガス供給管
６４ａ 水平部
６４ｂ 燃料供給孔
６６ マニホールド
７０ 空気集約室
７２ 空気分配室
７４ 空気流路管
７６ 空気導入管
７８ 排気ガス室
８０ 排気ガス通路
８２ 排気ガス排出管
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
８６ 集電端子
８６ａ 筒状部分
８６ｂ 平坦面
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 端部
９０ｂ 外周面
９０ｃ 端面
９２ 外側電極層
９４ 電解層
９６ 金属ロウ材
９６ａ ペースト状の金属ロウ材（第一のロウ材）
９６ｂ 板状の金属ロウ材（第二のロウ材）
９８ 燃料ガス流路
１００ 角部

Claims (3)

1. 内部に燃料ガス流路を形成する管状の内側電極層と、
   前記内側電極層を覆うよう管状に配置された外側電極層と、
   前記内側電極層と前記外側電極層との間に管状に配置された電解層とを備え、
   前記内側電極層の端部は、前記電解層と前記外側電極層に対して露出された管状の外周面と、前記管状の軸方向の端面とを備えている管状の燃料電池セルと、
   前記内側電極層の前記外周面と前記端面との両方を覆うと共に前記端面側の中央に前記燃料ガス流路と連通する流路を備え、前記内側電極層の前記外周面に対してロウ付けにて接合された集電端子と、からなる燃料電池セルユニットにおいて、
   前記ロウ付けは、前記内側電極層と前記集電端子との電気的接続を確保し、且つ前記内側電極層と前記集電端子との間における燃料ガスの漏洩を防止する金属材料のロウ材で行われるものであり、前記ロウ材は前記集電端子と前記外周面との間から前記集電端子と前記端面との間にかけて一体となった状態で配置されていることを特徴とする、燃料電池セルユニット。
2. 前記ロウ材は前記端面の全周に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セルユニット。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池セルユニットを含む燃料電池。

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