JP2016167373A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】集電板の突出部における電圧ロスを低減して、燃料電池スタックの性能を高めることができる燃料電池スタックを提供すること。【解決手段】燃料電池スタック１では、集電板９の一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲（即ち接続可能範囲ＳＫＨ）内に、第２突出部１５の幅Ｗにおける中点Ｍが存在する。従って、燃料電池スタック１にて発電された電力（電流）は、貫通孔１０によってその流れが妨げられにくいので、集電板９の集電部６５から第２突出部１５を介して第２出力端子１６に供給され易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタック１の性能が向上する。【選択図】図７

Description

本発明は、固体電解質に空気極及び燃料極を有する燃料電池単セルを複数備えた燃料電池スタックに関する。

従来、燃料電池として、例えば固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。
この固体酸化物形燃料電池では、例えば平板状の固体電解質の一方の側に燃料ガスに接する平板状の燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス（例えば空気）と接する平板状の酸化剤極（空気極）を設けた平板型の燃料電池単セルが使用されている。

更に、近年では、所望の電圧を得るために、複数の燃料電池単セルを、インターコネクタ及び集電体を介して積層した燃料電池スタックが開発されている。
この種の燃料電池スタックでは、燃料電池単セルの積層方向における両端に、導電性を有するエンドプレートを配置し、このエンドプレートを燃料電池スタックの正極と負極とすることによって電力を取り出す構造が提案されている。

このような燃料電池スタックの電力取り出し構造として、燃料電池スタックを構成する各部材を締結する締結ボルトによって出力部材を面接触させて電力を取り出すこと、締結ボルトの位置において、エンドプレートと一体化された出力部材によって電力を取り出すことが開示されている（特許文献１参照）。

また、これとは別に、燃料電池スタックと各種の補助器（ＢＯＰ）との間のショートを防止するために、燃料電池単セル等の積層部分（スタック本体）とエンドプレートとを電気的に絶縁する技術が提案されている（特許文献２参照）。

この技術では、スタック本体とエンドプレートとの間に、マイカ等からなる絶縁プレートを配置して、電気的に絶縁するようにしていた。また、スタック本体から電力を取り出すために、絶縁プレートの内側（スタック本体側）に、集電板を配置していた。更に、この集電板には、外部の出力端子と接続するために、燃料電池スタックの側面より外周側に突出する突出部が設けられていた。

特開２０１１−７６８９０号公報 国際公開第２００６／００９２７７号

しかしながら、上述した従来技術では、電力を取り出すための構造についての検討が十分ではなく、電力を外部に取り出す際に電圧ロスが発生することがあった。
つまり、電力を取り出すための構造によっては、電圧ロスが大きくなることがあり、その場合には、燃料電池スタックの性能が低下するという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、集電板の突出部における電圧ロスを低減して、燃料電池スタックの性能を高めることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

（１）本発明の第１態様は、燃料極と空気極と固体電解質とを有する燃料電池単セルを備えた発電単位と、前記燃料電池単セルによって発電された電力を集電体を介して集電する集電板と、を備え、前記発電単位が複数個連続して配置され、且つ、前記発電単位が連続する第１方向に前記集電板が配置された燃料電池スタックにおいて、前記第１方向から見た場合に、前記集電板は、前記発電単位が重なり合う領域に配置された集電部と、前記集電部から突出する突出部と、を備えており、前記集電部は、前記集電体が配置された集電エリアと、隣り合う第１貫通孔及び第２貫通孔を含み前記集電エリアの外周に配置された複数の貫通孔と、を有し、前記第１貫通孔の図心と前記第２貫通孔の図心とを結ぶ線分に垂直に交差し前記第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、前記線分に垂直に交差し前記第２貫通孔の外周に接する第２の接する線と、の間に、前記突出部の幅における中点が存在し、前記幅は、前記第１の接する線又は前記第２の接する線のいずれかに平行な突出方向と垂直な方向における前記突出部の長さであることを特徴とする。

本第１態様では、集電板の集電部は、集電体が配置された集電エリアと、集電エリアの周りに、隣り合う第１貫通孔及び第２貫通孔を含む複数の貫通孔（即ち集電エリアの外周に配置された複数の貫通孔）とを有している。

また、第１貫通孔の図心と第２貫通孔の図心とを結ぶ線分に垂直に交差し第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、前記線分に垂直に交差し第２貫通孔の外周に接する第２の接する線との間に、突出部の幅における中点が存在する。この突出部の幅は、第１の接する線又は第２の接する線のいずれかに平行な突出方向と垂直な方向における突出部の長さである。

つまり、本第１態様では、突出部の幅における中点は、第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、第２貫通孔の外周に接する第２の接する線との間の帯状の範囲（即ち後述する接続可能範囲）内に形成されている。すなわち、集電エリアと突出部との間の電流の流れが、貫通孔によって妨げられにくいように設定されている。

このように、本第１態様では、燃料電池スタックにて発電された電力（従って電流）は、貫通孔によってその流れが妨げられにくいので、集電板の集電エリアから突出部に効率よく供給される。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタックの性能が向上するという顕著な効果を奏する。

また、上述のように設定された中点を有する突出部は、コンパクトに構成できるので、発電単位が連続して配置された部分（例えばスタック本体）からの熱引きを抑制できるという利点がある。

なお、前記中点の位置についての条件は、突出部の全ての範囲において成立することが望ましいが、少なくとも１箇所の中点について、本第１形態の条件（即ち中点が接続可能範囲にあるという条件）が満たされれば良い。

（２）本発明の第２態様では、前記第１方向から見た場合に、前記突出部は、突出方向の先端側より根元側の幅が大きい。ここで根元側とは、先端側に比べ集電エリア側のことをいう。

本第２態様では、突出部は、突出方向の先端側より根元側の幅が大きいので、集電部から突出部に電流が流れ易い。また、突出部の根元側の強度が大きく、破損しにくいという利点がある。

（３）本発明の第３態様では、前記第１方向から見た場合に、前記突出部の幅は、前記根元側に向かって漸次広がっている。
本第３態様では、突出部は、突出部の幅は、根元側に向かって漸次広がっているので、集電部から突出部に電流が流れ易い。また、突出部の根元側の強度がより大きく、一層破損しにくいという利点がある。

＜次に、本発明の燃料電池スタックの各構成について説明する＞
・前記図心とは、平面図形における重心（面積中心）を意味する。
・集電板の材料としては、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金等を採用できる。

・燃料電池単セル及び発電単位としては、平板形状、扁平形状など、スタック化できる（即ち重ね合わせるように配置できるもの）であれば、特に限定はない。
・発電単位は、燃料電池単セルを用いて発電を行う基本単位である。この発電単位としては、燃料電池単セルに加え、燃料電池単セルから電力を取り出す構成（例えば空気極集電体、燃料極集電体、インターコネクタ等）や、酸化剤ガス及び燃料ガスの流路を規定する部材などを備えたものが挙げられる。

・集電エリアとしては、集電体が単体である場合には、第１方向から見た場合の集電体の投影領域が挙げられる。また、集電体が複数である場合には、第１方向から見た場合の各集電体の投影領域の外周を繋げるように囲む範囲が挙げられる。例えば、全ての集電体の投影領域を外周から紐で括ったような範囲が挙げられる。

・貫通孔が配置される範囲としては、集電エリアの外周を、例えば環状に囲む範囲（即ち集電板の枠状の外周縁部）が挙げられる。
・燃料電池スタックによって発電を行う場合の原料としては、燃料ガスや酸化剤ガスが挙げられる。燃料ガスとは、燃料となる還元剤（例えば水素）を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤（例えば酸素）を含むガス（例えば空気）を示している。

・燃料電池スタックを用いて発電を行う場合、燃料極側に燃料ガスを導入し、空気極側に酸化剤ガスを導入する。

実施例１の燃料電池スタックの斜視図である。 実施例１の燃料電池スタックの一部を分解し、積層方向に破断して模式的に示す断面図である。 実施例１の燃料電池スタックの発電単位を分解して示す斜視図である。 実施例１のインターコネクタの空気極集電体が形成された表面を示す平面図である。 実施例１の燃料極集電体とその要部を拡大して示す斜視図である。 実施例１の集電板を示す平面図である。 実施例１の集電板の一部において、第２突出部の幅等の規定などを平面視で示す説明図である。 （ａ）は実施例１の第１エンドプレートを示す平面図、（ｂ）はその第１エンドプレートに設けられた第１突出部の幅等の規定などを示す説明図である。 （ａ）は実施例２の集電板の一部を示す平面図、（ｂ）はその変形例の一部を示す平面図である。 （ａ）は実施例３の集電板の一部を示す平面図、（ｂ）はその変形例の一部を示す平面図である。 実施例４の燃料電池スタックの一部を分解し、積層方向に破断して模式的に示す断面図である。 （ａ）は実施例５の燃料電池スタックの一部において、一方の集電板の突出部（第２突出部）を示す正面図、（ｂ）はその変形例において、他方の集電板の突出部（第１突出部）を示す正面図である。 実施例６の燃料電池スタックを示す斜視図である。 実施例６の集電板の一部において、第２突出部の幅等の規定などを平面視で示す説明図である。 実施例７の燃料電池スタックを示す斜視図である。 実施例８の集電板の一部において、第２突出部の幅等の規定などを平面視で示す説明図である。 その他の燃料電池スタックの一部を分解し、模式的に示す斜視図である。

以下、本発明が適用された燃料電池スタックとして、固体酸化物形燃料電池スタックを例に挙げて説明する。

ａ）まず、本実施例１の燃料電池スタックの概略構成について説明する。
図１に示すように、本実施例１の固体酸化物形燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池スタック」と称する）１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気、詳しくは空気中の酸素）との供給を受けて発電を行う装置である。

なお、図面においては、酸化剤ガスは「Ｏ」で示し、燃料ガスは「Ｆ」で示す。また、「ＩＮ」はガスが導入されることを示し、「ＯＵＴ」はガスが排出されることを示す。なお、燃料電池スタック１において上下とは、便宜上、図１及び図２における上下方向を示すものであり、燃料電池スタック１の方向性を決めるものではない。

本実施例１における燃料電池スタック１は、図１の上下方向（積層方向：第１方向）の両端（即ち上下両端）に配置された第１エンドプレート３及び第２エンドプレート５と、その間に配置された平板状の複数（例えば２０段）の発電単位７と、後述する集電板９などが積層された燃料電池スタックである。

上下両端のエンドプレート３、５と各発電単位７と集電板９等には、それらを積層方向に貫く複数（例えば８個）の貫通孔１０が設けられている。その貫通孔１０に配置された各ボルト１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ（１１と総称する）と各ボルト１１に螺合する各ナット１２とによって、両エンドプレート３、５と各発電単位７と集電板９等とが、絶縁体８（図１２参照）を介して一体に固定されている。

また、ボルト１１のうちの特定（４本）のボルト１１ｂ、１１ｄ、１１ｆ、１１ｈには、軸方向（図１の上下方向）に沿って、酸化剤ガス又は燃料ガスが流れる内部流路１４が形成されている。なお、ボルト１１ｂは燃料ガスの排出に用いられ、ボルト１１ｄは酸化剤ガスの排出に用いられ、ボルト１１ｆは燃料ガスの導入に用いられ、ボルト１１ｈは酸化剤ガスの導入に用いられる。

そして、燃料電池スタック１から電力を取り出すために、後に詳述するように、上方の第１エンドプレート３には、第１突出部１３が形成され、下方の集電板９には、第２突出部１５が形成されている。

なお、以下では、発電単位７が積層された部分を、スタック本体２０と称する。
ｂ）次に、発電単位７等の構成について、詳しく説明する。
なお、図２〜図５においては、燃料電池スタック１の構成が分かりやすいように、縦・横の寸法は適宜設定してあり、各部材の個数等も適宜設定してある。

図２及び図３に模式的に示すように、発電単位７とは、燃料電池単セル１７の厚み方向（図２の上下方向）の両側に、インターコネクタ１９ａ、１９ｂ（１９と総称する）等を備えたものである。なお、燃料電池スタック１の第２エンドプレート５側（図２の下端側）の発電単位７の構成は、他の発電単位７とは多少異なるので、後に詳細に説明する。

詳しくは、下端以外の各発電単位７は、金属製のインターコネクタ１９ａと、空気極絶縁フレーム２３と、金属製のセパレータ２５と、金属製の燃料極フレーム２７と、金属製のインターコネクタ１９ｂ等が積層されたものである。なお、燃料電池スタック１においては、隣接する発電単位７同士では、間に配置されたインターコネクタ１９を共用している。また、積層された各部材１９、２３〜２７には、各ボルト１１が挿通される各貫通孔１０が形成されている。

このうち、セパレータ２５には、後述するように、燃料電池単セル１７が接合されている。空気極絶縁フレーム２３の枠内の流路（酸化剤ガスが流れる空気流路）３１には、インターコネクタ１９と一体の凸状の空気極集電体３３（図２参照）が配置されている。燃料極フレーム２７の枠内の流路（燃料ガスが流れる燃料流路）３５には、燃料極集電体３７が配置されている。

以下、各構成について、更に詳しく説明する。
＜インターコネクタ１９＞
インターコネクタ１９は、導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）からなる。このインターコネクタ１９は、燃料電池単セル１７間の導通を確保し、且つ、燃料電池単セル１７間（従って発電単位７間）でのガスの混合を防止するものである。なお、インターコネクタ１９は、隣接する燃料電池単セル１７間に配置される場合は、１枚配置されていればよい。

このインターコネクタ１９は、図４に示すように、方形の板材である板状部４１と、板状部４１の一方の面、詳しくは空気極５５（図２参照）に対向する面に形成された多数の空気極集電体３３とを備えている。

この空気極集電体３３は、ブロック状（直方体形状）であり、板状部４１から空気極５５に向かって突出するように、格子状に縦・横に複数列配置されている。
＜空気極絶縁フレーム２３＞
図３に戻り、空気極絶縁フレーム２３は、電気絶縁性を有する四角枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。この空気極絶縁フレーム２３には、（厚み方向から見た平面視で）その中央部に、空気流路３１を構成する方形の開口部２３ａが形成されている。

また、空気極絶縁フレーム２３において、対向する一対の貫通孔１０（１０ｄ、１０ｈ）が設けられた各辺の枠部分には、各貫通孔１０と連通するように、それぞれ長尺の連通孔４３ｄ、４３ｈが設けられている。更に、空気極絶縁フレーム２３には、各連通孔４５ｄ、４５ｈと開口部２３ａとを連通するように、空気が通過する部分（連通部）として、複数の溝４７ｄ、４７ｈが設けられている。

＜セパレータ２５＞
セパレータ２５は、四角枠状の導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）である。このセパレータ２５には、その中央部の方形の開口部２５ａに沿った内周縁部（下面側）に、燃料電池単セル１７の外周縁部（上面側）がろう付け接合されている。つまり、燃料電池単セル１７は、セパレータ２５の開口部２５ａを閉塞するように接合されている。

＜燃料極フレーム２７＞
燃料極フレーム２７は、導電性を有する例えばＳＵＳ４３０等のステンレスなどからなる四角枠状の板材である。この燃料極フレーム２７には、（平面視で）その中央部に、燃料流路３５を構成する方形の開口部２７ａが形成されている。

また、燃料極フレーム２７において、対向する一対の貫通孔１０（１０ｂ、１０ｆ）は長孔とされており、この長孔と開口部２７ａを連通するように、各連通孔５７ｂ、５７ｆが設けられている。

＜燃料極集電体３７＞
燃料極集電体３７は、図５に示すように、マイカ製の芯材であるスペーサ６１と導電部材である金属製の導電板（例えばニッケル製の平板形状の箔）６３とが組み合わされた公知の格子状の部材（例えば特開２０１３−５５０４２号公報に記載の集電部材１９参照）である。

詳しくは、燃料極集電体３７は、多数の長孔６１ａが平行に開けられたスペーサ（梯子マイカ）６１と、スペーサ６１に導電板６３自身の各接合片６３ａが折り曲げて取り付けられた導電板６３とから構成されている。

＜燃料電池単セル１７＞
図２に戻り、燃料電池単セル１７は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの構造を有しており、薄膜の固体電解質（固体電解質層）５１と、その一方の側（図２の下方）に形成された燃料極（アノード）５３と、他方の側（図２の上方）に形成された薄膜の空気極（カソード）５５とが一体に積層されたものである。

また、セパレータ２５は、固体電解質層５１の外周縁部の上面に接合されているので、このセパレータ２５により、発電単位７の内部において、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合しないように、空気流路３１と燃料流路３５とが分離されている。

なお、燃料電池単セル１７の空気極５５側に空気流路３１が設けられ、燃料極５３側に燃料流路３５が設けられており、空気流路３１における空気の流れる方向は、図２の左右方向であり、燃料流路３５における燃料ガスの流れる方向は、紙面と垂直方向である。

ここで、燃料電池単セル１７の構造について、更に詳しく説明する。
空気極５５は酸化剤ガスが通過できる多孔質の層である。
この空気極５５を構成する材料としては、金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物を挙げることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ等の金属やそれらの合金が挙げられる。金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ等の酸化物、例えばＬａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯが挙げられる。

複合酸化物としては、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ等を含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などを使用できる。

固体電解質層５１は固体酸化物からなる緻密な層であり、燃料電池スタック１の運転時（発電時）に、空気極５５に導入される酸化剤ガス（酸素）をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。

固体電解質層５１を構成する材料としては、例えば、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料では、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）を挙げることができ、一般的には、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用される例が多い。セリア系材料では、いわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料では、ランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。

燃料極５３は燃料ガスが通過できる多孔質の層である。
この燃料極５３を構成する材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ_２系セラミック、ＣｅＯ系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ｎｉ等の金属、或いは、Ｎｉと前記セラミックとのサーメットやＮｉ基合金を使用できる。

ｃ）次に、燃料電池スタック１の積層方向の端部において、燃料電池スタック１から電力を取り出すための構成について説明する。
＜第２エンドプレート５側の構成＞
図２に示すように、燃料電池スタック１の最下段の発電単位７においては、燃料極フレーム２７及び燃料極集電体３７の下面に接するように、上述したインターコネクタ１９ｂに代えて、集電板９が配置されている。

また、集電板９の下方には、端部絶縁プレート６４が積層され、端部絶縁プレート６４の下方には、第２エンドプレート５が積層されている。
このうち、端部絶縁プレート６４は、空気極絶縁フレーム２３と同様なマイカからなり、平面視でインターコネクタ１９と外周形状が同様な平面形状の板材である。また、第２エンドプレート５は、第１エンドプレート３と同様な材料からなる同様な形状の部材である。

また、上述した集電板９は、図６に示すように、スタック本体２０の平面形状と同形状（方形）の集電部６５と、集電部６５の外周（従って平面視でスタック本体２０の外周）より外側に突出する第２突出部１５とを備えている。なお、集電板９は、インターコネクタ１９と同様な材料からなる。

この集電部６５のうち、外周を構成する四角枠状の縁部６９には、他の燃料極フレーム２７等と同様に、前記ボルト１１が挿通される貫通孔１０が、等間隔で８箇所に形成されている。

つまり、集電部６５は、平面視で、発電単位７が重なり合う領域に配置されており、集電部６５の縁部６９の内側には、燃料極集電体３７が配置された方形の集電エリア７０（図６の斜線部分）が形成されている。

また、第２突出部１５は、縁部６９の１つの辺（右辺）に対応する部分において、隣接する一対の貫通孔１０（例えば貫通孔１０ｃ、１０ｄ）が配置された縁部６９の外周から外側に突出するように形成されている。即ち、第２突出部１５は、貫通孔１０ｃ、１０ｄの間の縁部６９の外周の右辺から、右辺に対して垂直に外側に突出するように形成されている。

なお、第２突出部１５の先端側には、突出部貫通孔７１が形成されていてもよい。また、第２突出部１５には、電力を外部に取り出すために、第２出力端子１６が接続されていてもよい。

特に、本実施例１では、図７に示すように、第２突出部１５の構成が設定されている。
具体的には、隣り合う貫通孔１０のうち、一方の貫通孔（第１貫通孔）１０ｃの図心と他方の貫通孔（第２貫通孔）１０ｄの図心とを結ぶ線分ＳＢに垂直に交差し一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、前記線分ＳＢに垂直に交差し他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間に、第２突出部１５の幅（図７の上下方向の幅）Ｗにおける中点Ｍが存在する。この第２突出部１５の幅Ｗは、第１の接する線Ｌ１又は第２の接する線Ｌ２のいずれかに平行な突出方向（図７の左右方向）と垂直な方向における第２突出部１５の長さである。

つまり、第２突出部１５の幅Ｗにおける中点Ｍは、一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲（即ち接続可能範囲ＳＫＨ）内に形成されている。

なお、第１の接する線Ｌ１及び第２の接する線Ｌ２は、両貫通孔１０ｃ、１０ｄの間に配置されている。また、中点Ｍについては、第２突出部１５の突出方向におけるどの位置においても接続可能範囲ＳＫＨ内にある。これらの構成は、他の実施例においても同様である。

更に、第２突出部１５は、平面視で、突出方向の先端側より根元側の幅が徐々に大きくなっている。つまり、第２突出部１５の根本側の幅が先端側の幅より大きくなるように、根本側の幅方向における両側は、円弧を描くように緩やかに湾曲して広がっている。

＜第１エンドプレート３側の構成＞
図２に示すように、燃料電池スタック１の最上段の発電単位７においては、その上部のインターコネクタ１９ａの上面に、平面視で集電板９と外周形状が同様な平面形状の板材である第１エンドプレート３が配置されている。なお、第１エンドプレート３は、インターコネクタ１９と同様な材料からなる。

この第１エンドプレート３は、上述した集電板９と同様に、電力を外部に取り出す機能を有しており、集電板９よりは厚みが大きいが、それ以外は、集電板９と同様な構成であるので、簡単に説明する。

図８（ａ）に示すように、第１エンドプレート３は、スタック本体２０の平面形状と同形状（方形）の集電部８１と、集電部８１の外周より外側に突出する第１突出部１３とを備えている。

この集電部８１のうち、外周を構成する四角枠状の縁部８３には、前記ボルト１１が挿通される貫通孔１０が、等間隔で８箇所に形成されている。なお、集電部８１には、前記集電アリア７０と同様な集電エリア８５（図８（ａ）の斜線部分）が形成されている。

一方、図８（ｂ）に示すように、第１突出部１３は、縁部８３の１つの辺（左辺）に対応する部分において、隣接する一対の貫通孔１０（例えば貫通孔１０ｇ、１０ｈ）が配置された縁部８３の外周から外側に突出するように形成されている。即ち、第１突出部１３は、貫通孔１０ｇ、１０ｈの間の縁部８３の外周の左辺から、左辺に対して垂直に外側に突出するように形成されている。

なお、第１突出部１３の先端側には、突出部貫通孔８９が形成されている。また、第１突出部１３には、電力を外部に取り出すために第１出力端子８７が接続される。
更に、第１突出部１３においては、一方の貫通孔（第１貫通孔）１０ｇの図心と他方の貫通孔（第２貫通孔）１０ｈの図心とを結ぶ線分ＳＢに垂直に交差し一方の貫通孔１０ｇの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、前記線分ＳＢに垂直に交差し他方の貫通孔１０ｈの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間に、第１突出部１３の幅（図８（ｂ）の上下方向の幅）Ｗにおける中点Ｍが存在する。この第１突出部１３の幅Ｗは、第１の接する線Ｌ１又は第２の接する線Ｌ２のいずれかに平行な突出方向（図８（ｂ）の左右方向）と垂直な方向における第１突出部１３の長さである。

なお、第１の接する線Ｌ１及び第２の接する線Ｌ２は、両貫通孔１０ｇ、１０ｈの間に配置されている。また、中点Ｍについては、第１突出部１３の突出方向におけるどの位置においても接続可能範囲ＳＫＨ内にある。

また、第１突出部１３は、平面視で、突出方向の先端側より根元側の幅が徐々に大きくなっている。
ｄ）次に、燃料電池スタック１の製造方法について、簡単に説明する。

［各部材の製造工程］
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる各板材（即ち必要な厚みの各板材）を打ち抜いて、両エンドプレート３、５、集電板９、インターコネクタ１９、燃料極フレーム２７、セパレータ２５、燃料極集電体３７の導電板６３を作製した。

なお、インターコネクタ１９の一方の表面には、切削加工によって、空気極集電体３３を形成した。
また、マイカシートに対して、パンチング加工などによって、空気極絶縁フレーム２３や端部絶縁プレート６４を作製した。

更に、マイカシートに対して、パンチング加工によって、スペーサ６１を作製し、導電板６３に切り込みを入れ、この導電板６３をスペーサ６１に取り付けて、燃料極集電体３７を作製した。

［燃料電池単セル１７の製造工程］
燃料電池単セル１７を、定法に従って製造した。
具体的には、まず、燃料極５３を形成するために、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）粉末と酸化ニッケル粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、燃料極ペーストを作製した。そして、この燃料極ペーストを用いて、周知のドクターブレード法によって燃料極グリーンシートを作製した。

また、固体電解質層５１を作製するために、例えば、ＹＳＺ粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、固体電解質ペーストを作製した。そして、この固体電解質ペーストを用いて、ドクターブレード法によって固体電解質グリーンシートを作製した。

次に、燃料極グリーンシート上に、固体電解質グリーンシートを積層した。そして、その積層体を、所定温度で加熱して焼結させて、焼結積層体を形成した。
また、空気極５５を形成するために、例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極ペーストを作製した。

次に、前記焼結積層体における固体電解質層５１の表面に、空気極ペーストを印刷した。そして、その印刷した空気極ペーストを、焼成によって緻密とならないように、所定温度にて焼成して、空気極５５を形成した。

これにより燃料電池単セル１７が完成した。なお、燃料電池単セル１７には、セパレータ２５にろう付けして固定した。
［燃料電池スタック１の製造工程］
次に、上述した各部材を、前記図２に示す順に組み合わせて、積層体を構成し、この積層体の貫通孔１０にボルト１１を嵌め込むとともに、各ボルト１１にナット１２を螺合させて締め付けて、積層体を押圧して一体化して固定した。

これによって、本実施例１の燃料電池スタック１が完成した。
ｅ）次に、本実施例１の効果について説明する。
本実施例１では、集電板９において、一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲（即ち接続可能範囲ＳＫＨ）内に、第２突出部１５の幅Ｗにおける中点Ｍが存在する。

同様に、第１エンドプレート３において、一方の貫通孔１０ｇの外周に接する第１の接する線Ｌ１と他方の貫通孔１０ｈの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲（即ち接続可能範囲ＳＫＨ）内に、第１突出部１３の幅Ｗにおける中点Ｍが存在する。

従って、燃料電池スタック１にて発電された電力（電流）は、貫通孔１０によってその流れが妨げられにくいので（即ち電気抵抗が低いので）、集電板９の集電部６５から第２突出部１５を介して電力を燃料電池スタック１の外部に取り出し易く、また、第１エンドプレート３の集電部８１から第１突出部１３を介して電力を燃料電池スタック１の外部に取り出し易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタック１の性能が向上するという顕著な効果を奏する。

しかも、上述のように設定された中点Ｍを有する第１、第２突出部１３、１５は、コンパクトに構成できるので、発電単位７が積層されたスタック本体２０からの熱引きを抑制できるという利点がある。

また、本実施例１では、第１、第２突出部１３、１５は、平面視で、突出方向の先端側より根元側の幅が徐々に大きくなっているので、一層、集電部６５から第２突出部１５に電流が流れ易く、また、集電部８１から第１突出部１３に電流が流れ易い。更に、第１、第２突出部１３、１５の根元側の強度が大きく、破損しにくいという利点もある。

なお、本実施例１では、第１エンドプレート３の第１突出部１３を、集電板９の第２突出部１５と同様な構成としているが、単に、第１エンドプレート３の外周から第１突出部１３を突出するように形成してもよい。つまり、第１エンドプレート３においては、第１の接する線Ｌ１と第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲内に、第１突出部１３の幅Ｗにおける中点Ｍを設けない構成としてもよい。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例２では、集電板の構成が実施例１と異なるので、主に異なる点を説明する。なお、実施例１と同様な部材の番号は同じ番号を使用する（以下同様）。

具体的には、本実施例２では、図９（ａ）に示すように、集電板９１は、集電部９３と突出部９５とを備えており、そのうち、突出部９５の平面形状は台形である。つまり、突出部９５は、先端側より根本側の幅が徐々に広くなっている。

本実施例２においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
また、この変形例として、図９（ｂ）に示すように、突出部９７の平面形状を、先端側から根本側にかけて一定の幅の長方形としてもよい。

なお、前記突出部９５、９７は、実施例１の第１突出部に相当するものである（以下では、「第１突出部」及び「第２突出部」を、単に「突出部」と称することもある）。また、この突出部９５、９７の構成を、第１エンドプレートの突出部（第１突出部）に採用してもよい（以下同様）。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例３では、貫通孔の平面形状が実施例１と異なるので、主に異なる点を説明する。

具体的には、本実施例３では、図１０（ａ）に示すように、貫通孔１０１の平面形状が方形である。
この方形の貫通孔１０１の場合でも、前記実施例１と同様に、第１の接する線Ｌ１と第２の接する線Ｌ１とから、帯状の接続可能範囲ＳＫＨを設定することができる。

本実施例３においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
また、この変形例として、図１０（ｂ）に示すように、貫通孔１１１の平面形状を他の多角形（図示は六角形）としてもよい。

なお、図示しないが、貫通孔が曲線の内周を有する貫通孔であっても、同様にして、接続可能範囲ＳＫＨを設定することができる。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例４では、実施例１の第１エンドプレート側の構成を、第２エンドプレート側と同様な構成としたものである。

具体的には、本実施例４では、図１１に示すように、燃料電池スタック１２１の最上段の発電単位７においては、上部のインターコネクタ１９ａの上面に、実施例１と同様な集電板１２３が積層されている。

更に、集電板１２３の上面には、実施例１と同様な端部絶縁プレート１２５が積層され、端部絶縁プレート１２５の上面には、実施例１と同様な第１エンドプレート１２７（但し第１突出部は形成されていない）が積層されている。

このうち、集電板１２３は、実施例１と同様にて、（平面視で）方形の集電部１２９の外周から突出部１３１が突出したものである。
なお、図示しないが、この突出部１３１に、第２出力端子１６と同様にして第１出力端子８７が接続される。

本実施例４においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。

次に、実施例５について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例５では、燃料電池スタックの積層方向における端部の構成が実施例１と異なるので、主に異なる点を説明する。

具体的には、本実施例５では、図１２（ａ）に示すように、燃料電池スタック１４１の下端側において、実施例１の第２エンドプレート及び端部絶縁プレートを省略し、集電板１４３を第２エンドプレートとして用いる。

その場合は、集電板１４３の厚みを、第２エンドプレートとして十分な強度を有する厚み（例えば第２エンドプレートの厚み以上）とすることが好ましい。
なお、ここでは、絶縁体８を介して、ボルト１１及びナット１２によって、集電板１４３が直接に締め付けられる。

本実施例５においても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、構成を簡易化できるという利点がある。
また、本実施例５の変形例として、図１２（ｂ）に示すように、実施例１の第１エンドプレートを省略し、第１突出部１４５を備えた集電板１４７を第１エンドプレートとして用いてもよい。

その場合は、集電板１４７の厚みを、第１エンドプレートとして十分な強度を有する厚み（例えば第１エンドプレートの厚み以上）とすることが好ましい。

次に、実施例６について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例６では、第１エンドプレート等の構成が実施例１と異なるので、主に異なる点を説明する。

本実施例６では、図１３に示すように、平面視で、第１エンドプレート１５１の外周形状は、実施例１のインターコネクタ等と同様な方形であり、この第１エンドプレート１５１には、実施例１のような第１突出部は設けられていない。

詳しくは、第１エンドプレート１５１の上面には、第１出力端子１５３が、ボルト１５５によって固定されている。つまり、第１出力端子１５３は、先端部１５３ａと延出部１５３ｂとが垂直に曲げられたＬ字状の板材であり、その先端部１５３ａがボルト１５５によって第１エンドプレート１５１に固定されている。

この第１出力端子１５５は、インターコネクタ１５７及び第１エンドプレート１５５より低抵抗な材料、例えばニッケル又はニッケル合金からなる。
これによって、上端のインターコネクタ１５７及び第１エンドプレート１５５と第１出力端子１５３とが電気的に接続されている。

また、本実施例６の集電板１５９は、前記実施例１と同様な形状であり、その第２突出部１６１に第２出力端子１６３がボルト１６５及びナット（図示せず）により固定されている。

この第２出力端子１６３は、先端部１６３ａと延出部１６３ｂとが垂直に曲げられたＬ字状の板材である。なお、第２出力端子１６３は、集電板１５９より低抵抗な材料、例えばニッケル又はニッケル合金からなる。

更に、本実施例１では、図１４に示すように、第２突出部１６１は図１４の上下方向に対称であるので、その対称軸が図１４の破線で示す中線ＭＬであり、その中線ＭＬ上に中点Ｍが存在する。

また、第２突出部１６１と第２出力端子１６３の先端部１６３ａとが重ね合わされる範囲等が、下記のように設定されている。
具体的には、第２突出部１６１と第２出力端子１６３とが接触して電気的接続を行う部分が、接続領域ＳＲ（図１４の斜線部分）として設定されている。そして、この接続領域ＳＲは、第１の接する線Ｌ１と第２の接する線Ｌ２との間に存在するように設定されている。つまり、接続領域ＳＲは、接続可能範囲ＳＫＨ内に形成されている。

本実施例６においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。

次に、実施例７について説明するが、前記実施例６と同様な内容の説明は省略する。
本実施例７では、集電板（特に突出部）等の構成が実施例６と異なるので、主に異なる点を説明する。

本実施例７では、図１５に示すように、集電板１７１の突出部（第２突出部）１７３は、実施例６の第２出力端子の機能を兼ねており、第２出力端子が配置された位置にまで延出されている。

つまり、本実施例７の突出部１７３は、前記第２出力端子のようにＬ字状に曲げられて燃料電池スタック１７５の積層方向の上方にまで長く延びているので、この突出部１７３には、実施例１のような第２出力端子が接続されていない。

本実施例７においても、前記実施例６と同様な効果を奏するとともに、構成を簡易化できるという利点がある。
なお、実施例１における第１突出部が出力端子の機能を兼ねるように延出していてもよいことは言うまでもない。

次に、実施例８について説明するが、前記実施例６と同様な内容の説明は省略する。
本実施例８では、貫通孔等の構成が実施例６と異なるので、主に異なる点を説明する。
本実施例８では、図１６に示すように、集電板１８１の方形の集電部１８３の縁部１８５に形成された貫通孔１０が、平面視で、方形の各辺上に配置されておらず、一部が外周方向にずれて位置している。

つまり、集電部１８３の角部に位置する貫通孔１０ｃ、１０ｅは、同じ辺上に配置されているが、その間の貫通孔１０ｄは、辺よりも図１６の右側にずれている。
また、本実施例８においても、実施例６と同様に、第１の接する線Ｌ１と第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲内に、第２突出部１８７の幅Ｗにおける中点Ｍが配置されている。

従って、本実施例８においても、前記実施例６と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例などについて説明したが、本発明は、前記実施例などに限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。

（１）例えば、本発明は、前記各実施例のような板状の発電単位ではなく、図１７に示すように、内部にガス流路１９１が設けられた扁平筒形状の発電単位１９３を複数配列した燃料電池スタック１９５などにも適用できる。

具体的には、扁平筒形状の複数の発電単位１９３を、その厚み方向に並べて配置し、その配置方向の両端に、集電板を兼ねるエンドプレート１９７を配置した燃料電池スタック１９５が挙げられる。この場合には、エンドプレート１９７に、前記各実施例と同様に、集電部１９９より（貫通孔２０１の間の位置にて）外周側に突出する突出部２０３を設ければよい。

（２）また、突出部は、その全体が接続可能範囲にあることが好ましいが、一部が接続可能範囲外にあってもよい。例えば、突出部の根元側の幅が広い場合には、根元側の一部が接続可能範囲外に広がっていてもよい。

（３）前記各実施例では、インターコネクタと空気極集電体は一体の構成であるが、インターコネクタと空気極集電体とを別体の部材で構成し、それらをろう材等によって接合してもよい。例えば平板状のインターコネクタの一方の表面に、ブロック状や長尺の集電体を接合してよい。

（４）燃料極集電体としては、前記各実施例の構成以外に、座屈しない多孔質金属等の材料など既知の集電体を用いてもよい。
（５）なお、各実施例の構成を、適宜他の実施例に適用して組み合わせてもよい。

１、１２１、１４１、１５５、１７５、１９５…燃料電池スタック
３、５、１２７、１４５、１５１、１９７…エンドプレート
７、１９３…発電単位
９、９１、１２３、１４３、１４７、１５９、１７１、１８１…集電板
１０、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｈ、１０１、１１１、１７１…貫通孔
１７…燃料電池単セル
１３、１５、１５３、１６３…出力端子
１９、１９ａ、１９ｂ、１２５、１５７…インターコネクタ
３３…空気極集電体
３７…燃料極集電体
５１…固体電解質層
５３…燃料極
５５…空気極
６５、８１、９３、１２９、１８３、１９９…集電部
１３、１５、９５、９７、１３１、１４５、１６１、１７３、１８７、２０３…突出部
７０、８５…集電エリア

Claims (3)

1. 燃料極と空気極と固体電解質とを有する燃料電池単セルを備えた発電単位と、
   前記燃料電池単セルによって発電された電力を集電体を介して集電する集電板と、
   を備え、
   前記発電単位が複数個連続して配置され、且つ、前記発電単位が連続する第１方向に前記集電板が配置された燃料電池スタックにおいて、
   前記第１方向から見た場合に、
   前記集電板は、前記発電単位が重なり合う領域に配置された集電部と、前記集電部から突出する突出部と、を備えており、
   前記集電部は、前記集電体が配置された集電エリアと、隣り合う第１貫通孔及び第２貫通孔を含み前記集電エリアの外周に配置された複数の貫通孔と、を有し、
   前記第１貫通孔の図心と前記第２貫通孔の図心とを結ぶ線分に垂直に交差し前記第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、前記線分に垂直に交差し前記第２貫通孔の外周に接する第２の接する線と、の間に、前記突出部の幅における中点が存在し、
   前記幅は、前記第１の接する線又は前記第２の接する線のいずれかに平行な突出方向と垂直な方向における前記突出部の長さであることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記第１方向から見た場合に、前記突出部は、突出方向の先端側より根元側の幅が大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記第１方向から見た場合に、前記突出部の幅は、前記根元側に向かって漸次広がっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。