JP5346402B1 - 燃料電池セル及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】長期の使用においても良好な電気的接続性が維持可能な燃料電池セル及び燃料電池スタックの提供。
【解決手段】一対のインターコネクタ(以下、ＩＣ)12,13の間に位置し、電解質2の両面に電極14,15が形成されたセル本体20と、電極15とＩＣ13との間に配置され双方を電気的に接続する集電部材190とを備えた燃料電池セル3であって、集電部材190は、ＩＣ13に当接するコネクタ当接部190aと、セル本体20の電極15に当接するセル本体当接部190bと、コネクタ当接部190aとセル本体当接部190bをつなぐ連接部190cとが一連に形成され、コネクタ当接部190aとセル本体当接部190bの間に配置されるスペーサー580を有し、集電部材190とスペーサー580はセル本体20とＩＣ13の前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共にスペーサー580の弾性量は集電部材19の弾性量より大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質層の両面に二つの電極を設け、一方の電極（以下燃料極という。）に燃料ガスを供給すると共にもう一方の電極（以下空気極という。）に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池セルと、その燃料電池セルを複数個積層して固定した燃料電池スタックに関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、一対のインターコネクタと、該インターコネクタ間に位置し電解質の一方の面に空気極が形成され他方の面に燃料極が形成されたセル本体と、空気極とインターコネクタ又は燃料極とインターコネクタとの間に配置されて空気極とインターコネクタ又は燃料極とインターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルがある。

この燃料電池セルの集電部材は、平板状の集電プレートから爪状の導電性を有する弾性部材を切り起こした構造になっており、集電プレートの平坦面をインターコネクタに接合すると共に導電性を有する弾性部材の先端をセル本体に接触させて電気的接続を行わせるものである。

特開２００９−２６６５３３号公報

従来技術のように、導電性を有する弾性部材の弾性でセル本体に接触させる集電部材は、長期の使用で塑性変形し、発電時の高熱で導電性を有する弾性部材の強度が低下し、さらには導電性を有する弾性部材がクリープ変形の影響を受ける、などして予定した電気的接続を得るための接触力が得られなくなる場合がある。そして、そうした場合には、導電性を有する弾性部材が温度サイクルや燃料圧・空気圧の変動などによるセル本体の変形に追従できなくなって接触が不確実になり、空気極とインターコネクタ又は燃料極とインターコネクタの電気的接続が不確実になるおそれがあった。

また、上記した弾性部材の電気的接続を得るための接触力の低下要因が複合的に重なったとき、該弾性部材のセル本体に接触すべき部分が逆にインターコネクタ側に接触する場合がある。一方、集電部材は、平坦面をインターコネクタに接合することからインターコネクタとの接合性に優れた材料で形成されている場合が多い。このため、発電時の高温環境下で弾性部材が前記のようにしてインターコネクタ側に接触すると焼結により接合してしまう場合がある。そうなるとその弾性部材はインターコネクタと一体になるからセル本体との接触が困難になり、空気極とインターコネクタ又は燃料極とインターコネクタの電気的接続が不確実になるおそれがあった。

本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、長期の使用においても良好な電気的接続性が維持可能な燃料電池セル及び燃料電池スタックを提供することにある。

上記の目的を達成するため本発明は、請求項１に記載したように、一対のインターコネクタと、
該インターコネクタのそれぞれと間隔を離してその間に位置し、板状の電解質の上下面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
前記電極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、該電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体の前記電極に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部との間に配置されるスペーサーを有し、
前記集電部材と前記スペーサーは前記セル本体と前記インターコネクタの前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共に、前記スペーサーの弾性量は前記集電部材の弾性量より大きい燃料電池セルを提供する。

ここで「弾性」とは、外力を加えると変形し、その外力を取り除くと元に戻ろうとする物体の性質であり、本発明においてスペーサーと集電部材の弾性量の大小は、使用時の形状の試料に同じ条件で厚さ方向に荷重を加えたのち、その荷重を取り除いた場合に、厚さ方向の変位量が大きいほど弾性量が大きく、逆に厚さ方向の変位量が小さいほど弾性量が小さいことを意味する。

また、請求項２に記載したように、前記連接部が略１８０度に折り曲げられ、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部が前記スペーサーの両側に配置されている請求項１に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項３に記載したように、一対のインターコネクタと、
該インターコネクタのそれぞれと間隔を離してその間に位置し、板状の電解質の上下面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
前記電極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、該電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体の前記電極に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記コネクタ当接部と前記セル本体との間、及び、前記セル本体当接部と前記インターコネクタとの間のそれぞれに配置されるスペーサーを有し、
前記集電部材と前記スペーサーは前記セル本体と前記インターコネクタの前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共に、前記スペーサーの弾性量は前記集電部材の弾性量より大きい燃料電池セルを提供する。

また、請求項４に記載したように、一対のインターコネクタと、
該インターコネクタのそれぞれと間隔を離してその間に位置し、板状の電解質の上下面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
前記電極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、該電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体の前記電極に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
前記コネクタ当接部と前記セル本体との間、又は、前記セル本体当接部と前記インターコネクタとの間、のどちらか一方に配置されるスペーサーを有し、
前記集電部材と前記スペーサーは前記セル本体と前記インターコネクタの前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共に、前記スペーサーの弾性量は前記集電部材の弾性量より大きい燃料電池セルを提供する。

また、請求項５に記載したように、前記スペーサーは、マイカ、アルミナフェルト、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの少なくとも何れか１種とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項６に記載したように、前記インターコネクタと、前記セル本体と、前記集電部材とを積層して一体に締め付ける締め付け部材をさらに有し、
前記締め付け部材及び前記スペーサーにより、前記集電部材の前記セル本体当接部が前記セル本体に当接し前記コネクタ当接部が前記インターコネクタに当接するように押圧されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項７に記載したように、前記スペーサーは、前記締め付け部材よりも締め付け方向の熱膨張率が高い請求項６に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項８に記載したように、前記集電部材は、多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタル製である請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項９に記載したように、前記集電部材の前記セル本体当接部が、前記セル本体の前記少なくとも一方の電極の表面に接合されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項１０に記載したように、前記集電部材の前記コネクタ当接部が、前記インターコネクタに接合されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項１１に記載したように、前記集電部材は、自己の面方向と交差する方向について曲げ伸ばし自在であり且つ曲げ伸ばしに対する反発力が殆ど生じないように形成されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項１２に記載したように、前記集電部材は、燃料極と前記インターコネクタとの間に配置されて、Ｎｉ又はＮｉ合金製である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項１３に記載したように、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数個積層し、前記締め付け部材により固定してなる燃料電池スタックを提供する。

請求項１〜２に記載の燃料電池セルによれば、スペーサーが集電部材のコネクタ当接部とセル本体当接部の間に入って両者の接触を妨げるため、発電時の高熱（燃料電池の作動温度）でコネクタ当接部とセル本体当接部が焼結により接合するようなおそれがない。したがって、コネクタ当接部とセル本体当接部の一体化（焼結による接合）、惹いてはそれに伴う電気的接触の不安定化が防止できる。

請求項３に記載の燃料電池セルによれば、スペーサーが集電部材のコネクタ当接部とセル本体及びセル本体当接部とインターコネクタの間に入って両者の接触を妨げるため、発電時の高熱でコネクタ当接部とセル本体及びセル本体当接部とインターコネクタが焼結により接合するおそれがない。したがって、コネクタ当接部とセル本体及びセル本体当接部とインターコネクタの一体化（焼結による接合）惹いてはそれに伴う電気的接続の不安定化が防止できる。

請求項４の記載の燃料電池によれば、スペーサーが集電部材のコネクタ当接部とセル本体又はセル本体当接部とインターコネクタの間に入って両者の接触を妨げるため、発電時の高熱でコネクタ当接部とセル本体又はセル本体当接部とインターコネクタが焼結により接合するおそれがなく、したがってコネクタ当接部とセル本体又はセル本体当接部とインターコネクタの一体化（焼結による接合）惹いてはそれに伴う電気的接続の不安定化が防止できる。

さらに、請求項１〜４に記載の燃料電池セルによれば、
（ｉ）熱サイクルなどでセル本体等が変形し、インターコネクタと電極との間の間隔が拡大した場合、つまり集電部材が設置された空間が拡大された場合、スペーサーの弾性量が大きいため、インターコネクタと電極との間の電気的接続が安定する。さらに、一旦集電部材が設置された空間が縮小された後に該空間が拡大された場合にも、スペーサーの弾性量が集電部材よりも大きいため、インターコネクタと電極との間の電気的接続を安定させることが出来る。
（ii）スペーサーは、圧縮方向には柔軟なので、スペーサーからの反発力が過度に作用してセル本体の割れを誘発するおそれがない。すなわち、スペーサーがクッション性を発揮し、組み立て時の締め付け力によって発生する（セル本体に対する）応力集中が抑制され、セル割れが軽減できる
という効果を奏する。

以上のようなスペーサーは、少なくとも請求項５に記載された材質を用いることにより形成することができる。

また、請求項６に記載の燃料電池セルによれば、インターコネクタと、セル本体と、集電部材とを積層して締め付け部材で締め付けることで、スペーサーの弾性により集電部材のセル本体当接部がセル本体により確実に当接し、或はコネクタ当接部がインターコネクタにより確実に当接するため、集電部材の電気的接点が安定する。

また、請求項７に記載の燃料電池セルによれば、締め付け部材よりもスペーサーの締付方向の熱膨張率が高いため、発電時の熱で締め付け部材が熱膨張し、それがインターコネクタとセル本体と集電部材を締め付ける締付力の低下要因になっても、スペーサーがそれ以上に熱膨張するから集電部材に対する押圧作用が維持される。

また、請求項８に記載したように、集電部材を多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタルで形成すれば、単純な板材で形成する場合に比べて燃料ガスや酸化剤ガスの拡散性が向上する。

また、請求項９に記載したように、セル本体当接部を、セル本体の少なくとも一方の電極の表面に接合した場合には、温度サイクルや燃料圧・空気圧の変動などによるセル本体の変形に対してセル本体当接部が一体になって追従するため、安定した電気的接続が得られる。

また、請求項１０に記載したように、集電部材のコネクタ当接部をインターコネクタに接合しておけば、温度サイクルや燃料圧・空気圧の変動などによりセル本体に変形が生じても、コネクタ当接部とインターコネクタの電気的接続は、安定的に継続し得る。

また、請求項１１に記載したように、集電部材を自己の面方向と交差する方向について曲げ伸ばし自在であり且つ曲げ伸ばしに対する反発力が殆ど生じないように形成すれば、温度サイクルや燃料圧・空気圧の変動などによるセル本体の変形に対してはスペーサーが対応し、電気的接続については集電部材が対応する、というように役割分担が明確になるため、それぞれの役割に応じて最適な材質や形状が選択できる。

また、請求項１２に記載したように、集電部材を燃料ガスに対応する電極と前記インターコネクタとの間に配置してＮｉ又はＮｉ合金で形成すれば、燃料電池セルを組み立てた後に加熱するだけで集電部材のセル本体当接部やコネクタ当接部を当該電極やインターコネクタに接合することができる。
すなわち、Ｎｉ又はＮｉ合金は、材質上、燃料ガスに対応する電極やインターコネクタとの接合性に優れており、しかも集電部材のセル本体当接部やコネクタ当接部は、主としてスペーサーの弾性によってセル本体やインターコネクタに確実に接触しているから、組み立て完了後に加熱すればセル本体当接部がセル本体の前記電極中のＮｉと拡散接合し、或はコネクタ当接部がインターコネクタに拡散接合して一体になる。このようにセル本体当接部やコネクタ当接部がそれぞれセル本体やインターコネクタに接合して一体になると、セル本体とインターコネクタの電気的接続が安定する。
なお、燃料電池の発電時の温度は７００℃前後〜１０００℃に達するため、発電時の熱でセル本体当接部やコネクタ当接部を前記電極側のセル本体やインターコネクタに接合することができる。したがって、加熱のための工程を省略してエネルギーを節約することができる。

また、請求項１３に記載した燃料電池スタックは、請求項１〜１２の何れか１項に記載の燃料電池セルを複数個積層して締め付け部材で固定したものであるため、長期の使用においても良好な電気的接続性が維持可能である。

燃料電池の斜視図である。 燃料電池セルの斜視図である。 燃料電池セルの分解斜視図である。 分解パーツを絞った燃料電池セルの分解斜視図である。 燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。 図５を分解して示す縦断面図である。 図５のＡ−Ａ線断面図である。 図５のＢ−Ｂ線断面図である。 集電部材の斜視図である。 （ａ）はスペーサーの斜視図、（ｂ）は集電部材のスペーサー装着前の斜視図である。 図１０（ｂ）の変形例を示す集電部材の斜視図である。 集電部材とスペーサーについて、荷重と変位量の関係を示すグラフである。 他の形態に係る燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。 他の形態に係る燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。 他の形態に係る燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。 他の形態に係る燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。

現在、燃料電池には電解質の材質により大別して、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）と、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４タイプがある。各タイプは、作動温度（イオンが電解質中を移動できる温度）が異なるのであって、現時点において、ＰＥＦＣは常温〜約９０℃、ＰＡＦＣは約１５０℃〜２００℃、ＭＣＦＣは約６５０℃〜７００℃、ＳＯＦＣは約７００℃〜１０００℃である。

[実施形態１]
図１〜図１１に示した実施形態１の燃料電池１は、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質２とするＳＯＦＣである。この燃料電池１は、発電の最小単位である燃料電池セル３と、該燃料電池セル３に空気を供給する空気供給流路４と、その空気を外部に排出する空気排気流路５と、同じく燃料電池セル３に燃料ガスを供給する燃料供給流路６と、その燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路７と、該燃料電池セル３を複数セット積層してセル群となし該セル群を固定して燃料電池スタック８となす固定部材９と、燃料電池スタック８を納める容器１０と、燃料電池スタック８で発電した電気を出力する出力部材１１と、から概略構成される。

［燃料電池セル］
燃料電池セル３は平面視正方形であり、図３に示したように、四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された上（※ここでの「上」又は「下」は図面の記載を基準とするが、これはあくまでも説明の便宜上のものであって絶対的な上下を意味しない。以下同じ。）のインターコネクタ１２と、同じく四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された下のインターコネクタ１３と、上下のインターコネクタ１２，１３のほぼ中間に位置すると共に電解質２の上のインターコネクタ１２の内面（下面）に対向する面に電極（以下、「空気極」という。）１４を形成すると共に下のインターコネクタ１３の内面（上面）に対向する面にもう一方の電極（以下、「燃料極」という。）１５を形成したセル本体２０と、上のインターコネクタ１２と空気極１４との間に形成された空気室１６と、下のインターコネクタ１３と燃料極１５との間に形成された燃料室１７と、空気室１６の内部に配置され空気極１４と上のインターコネクタ１２とを電気的に接続する空気極１４側の集電部材１８０と、前記燃料室１７の内部に配置され燃料極１５と下のインターコネクタ１３とを電気的に接続する燃料極１５側の集電部材１９０と、を有し、正方形のコーナー部分に前記固定部材９の後述する締め付け部材４６ａ〜４６ｄを通すコーナー通孔４７，４７…を貫通状態に形成したものである。

［電解質］
前記電解質２は、ＺｒＯ_２系セラミックの他、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミック等で形成される。

［燃料極］
前記燃料極１５の材質は、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_２系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物が挙げられる。また、燃料極１５の材質は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属でもよく、これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の合金にしてもよい。さらに、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む。）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物等が挙げられる。

［空気極］
前記空気極１４の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。前記金属としてはＰt、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。さらに、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏ_１−ｙＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３系複酸化物、Ｐｒ_１−ＸＢａ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物及びＳｍ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物等）が挙げられる。

［燃料室］
前記燃料室１７は、図３〜図５に示したように、集電部材１９０の周りを囲う状態にして下のインターコネクタ１３の上面に設置された額縁形態の燃料極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「燃料極絶縁フレーム」ともいう。）２１と、額縁形態であって前記燃料極絶縁フレーム２１の上面に設置される燃料極フレーム２２と、によって四角い部屋状に形成されている。

［燃料室側の集電部材］
燃料室１７側の集電部材１９０は、例えば真空中１０００℃で１時間の熱処理をして焼き鈍し（ＨＶ硬度で２００以下）を行ったＮｉで形成されており、下のインターコネクタ１３に当接するコネクタ当接部１９０ａと、セル本体２０の燃料極１５に当接するセル本体当接部１９０ｂと、コネクタ当接部１９０ａとセル本体当接部１９０ｂとをつなぐＵ字状の連接部１９０ｃとが一連に形成されている。実施形態の集電部材１９０は、厚さ３０μｍ程度の箔材で形成されており、したがって連接部１９０ｃは、面と交差する方向について曲げ伸ばし自在であり且つ曲げ伸ばしに対する反発力が殆ど生じない。

なお、燃料室１７側の集電部材１９０は、前記のように箔材で形成する場合の他、例えばＮｉ製の多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタルで形成するようにしてもよい。また、燃料室１７側の集電部材１９０は、Ｎｉの他、Ｎｉ合金やステンレス鋼など酸化に強い金属で形成するようにしてもよい。

この集電部材１９０は、燃料室１７に数十〜百個程度（もちろん燃料室の大きさにより異なる。）設けられており、それらを個々にインターコネクタ１３上に並べて溶接（例えばレーザー溶接や抵抗溶接）するようにしてもよいが、好ましくは図１０（ｂ）に示したように前記箔材を燃料室１７に整合する四角い平板１９０ｐに加工し、この平板１９０ｐにセル本体当接部１９０ｂと連接部１９０ｃに対応する切込線１９０ｄを形成し、そうして図９の拡大部に示したように連接部１９０ｃをＵ字状に曲げてセル本体当接部１９０ｂがコネクタ当接部１９０ａの上方に間隔ｔ（図５拡大部参照）を空けて被さるようにしてある。したがって、セル本体当接部１９０ｂを曲げ起こして残った穴あき状態の平板１９０ｐがコネクタ当接部１９０ａの集合体であり、実施形態では平板１９０ｐのコネクタ当接部１９０ａが下のインターコネクタ１３にレーザー溶接や抵抗溶接により接合されている。

なお、集電部材１９０の前記切込線１９０ｄは、図１１に示したように、セル本体当接部１９０ｂと連接部１９０ｃを列単位で纏めた形にしてもよい。こうすることによりセル本体当接部１９０ｂと連接部１９０ｃの加工が効率よく行える。

［スペーサー］
前記集電部材１９０には、図５に示したようにスペーサー５８０が併設されている。該スペーサー５８０は、セル本体２０と下のインターコネクタ１３の間の燃料室１７内において、コネクタ当接部１９０ａとセル本体当接部１９０ｂを隔てるように両者の間に配置され、厚さ方向に弾性力を有し、少なくとも燃料電池作動温度域での該スペーサー５８０の厚さ方向の熱膨張によってセル本体当接部１９０ｂとコネクタ当接部１９０ａをそれぞれの当接方向、すなわちセル本体当接部１９０ｂをセル本体２０に向けて、一方、コネクタ当接部１９０ａをインターコネクタ１３に向けて押圧し得るようにするべく、燃料電池作動温度域である７００℃〜１０００℃において、熱膨張によって拡大する前記間隔ｔをさらなる熱膨張によって上回る厚みと材質で形成されている。

なお、スペーサー５８０の厚みは、燃料電池作動温度域での状態でセル本体当接部１９０ｂとコネクタ当接部１９０ａの間隔ｔ（図５参照）を上回るものであればよいが、好ましくは、燃料電池非作動時の常温状態で少なくともセル本体当接部１９０ｂとコネクタ当接部１９０ａの間隔ｔとほぼ同じにするかまたは若干大きく設定するのがよい。そうすることにより発電開始から作動温度域に達するまでの間においても、スペーサー５８０によってコネクタ当接部１９０ａとインターコネクタ１３及びセル本体当接部１９０ｂとセル本体２０の電気的接触を安定的にすることができる。

また、スペーサー５８０は、厚さ方向に対して集電部材１９０より大きな弾性量を有する材質が選定されており、温度サイクルや燃料圧・空気圧の変化による燃料室１７の間隔の変動に対し比較的弾性量の小さい集電部材１９０に比べて厚さが大きく増減する。具体的には燃料室１７の前記間隔の縮小に対して厚さ方向に縮んで緩衝作用を発揮し、そうしてセル本体２０の割れを防止し、逆に、前記間隔の拡大に対して厚さ方向への復元力で電気的接点を安定させる。

ここで、スペーサー５８０と集電部材１９０の弾性量の具体的な比較方法は、次のような圧縮試験で弾性量を計測することにより行うことができる。
まず、スペーサー５８０と集電部材１９０のそれぞれについて圧縮試験用の試料を準備する。サイズは、実際のスペーサー５８０と集電部材との接触面積に合わせ、６.５ｍｍ×４ｍｍで、厚さは、実際のスペーサー厚さ０．４ｍｍと集電部材厚さ３０μｍとした。ここでスペーサー５８０、集電部材１９０厚さは使用時の形状に合わせることが望ましく、大きさは両者が同じであれば任意のサイズで構わない。
次に、圧縮試験機にて、試料を１０Ｋｇで圧縮し、そのときの厚みの変位量（ｍｍ）を測定し、最大変位量とする。
さらに、１０ｋｇの圧縮を開放し、最大変位量からの復元変位量（図１２のグラフ参照）を測定する。
なお、厚さが３０μｍと薄い集電部材１９０などは、変位量が僅かで、圧縮試験機の精度によっては測定できないことがある。その場合は、厚さが薄い集電部材１９０を何枚か（例えば１０枚）重ねて前記圧縮試験を行い、得られた変位量を重ねた枚数で割って、最大変位量と復元変位量を測定することが出来る。
使用時の形状の試料であれば、復元変位量が大きい方が弾性量が大きいことを意味し、逆に復元変位量が小さい方が弾性量が小さいことを意味する。
本発明のスペーサー５８０と集電部材１９０について上記試験を実施した場合、図１２のグラフに示したように、集電部材１９０に対してスペーサー５８０の方が圧倒的に大きい変位量を示す。

また、スペーサー５８０は、燃料電池作動温度域で集電部材１９０と焼結しない性質を持った材料で形成されており、したがって、セル本体当接部１９０ｂとコネクタ当接部１９０ａとが直接触れ合って焼結するおそれがないことはもちろん、セル本体当接部１９０ｂとコネクタ当接部１９０ａがスペーサー５８０を介して焼結するおそれもない。

以上の条件を満たすスペーサー５８０の材質としては、マイカ、アルミナフェルト、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの何れか１種か、或は複数種を組み合わせたものでもよい。また、これらを例えばマイカのような薄い板状体の積層構造にしておけば、積層方向への荷重に対し適度な弾性が付与される。なお、これらの材質により形成されるスペーサー５８０は、厚さ方向（積層方向）の熱膨張率が、後述する締め付け部材４６ａ〜４６ｄの軸方向の熱膨張率より高くなるようになっている。

なお、実施形態の集電部材１９０は、前記のようにコネクタ当接部１９０ａの集合体である平板１９０ｐでつながった一体構造になっており、これに合わせてスペーサー５８０も図１０（ａ）に示したように、平板１９０ｐとほぼ同幅で平板１９０ｐより若干短い（具体的には、１つの（セル本体当接部１９０ｂ＋連接部１９０ｃ）の長さ相当分短い）四角形にした１枚の材料シートから、セル本体当接部１９０ｂと連接部１９０ｃに対応する部分を横１列分ずつ纏めて切り抜いて横格子状に形成されている。
そして、このスペーサー５８０を集電部材１９０の加工前の図１０（ｂ）に示した平板１９０ｐに重ね、その状態で図９拡大部に示したように連接部１９０ｃをＵ字状に曲げるようにすれば、予めスペーサー５８０を組み込んだ集電部材１９０ができる。
ところで図９拡大部では、セル本体当接部１９０ｂが左角部に位置するものから右に向かって段階的に曲げられる状態になっているが、これは専ら加工手順を説明するために描いたものであり、セル本体当接部１９０ｂの曲げ加工は全部を一斉に行ってもよいし、加工上都合の良い部分から順に行ってもよい。

［空気室］
前記空気室１６は、図３〜図５に示したように、四角い額縁形態であって下面に前記電解質２が取着された導電性を有する薄い金属製のセパレータ２３と、該セパレータ２３と上のインターコネクタ１２との間に設置されて集電部材１８０の周りを囲う額縁形態の空気極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「空気極絶縁フレーム」ともいう。）２４と、によって四角い部屋状に形成されている。

［空気室側の集電部材］
空気室１６側の集電部材１８０は、細長い角材形状で、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、電解質２の上面の空気極１４と上のインターコネクタ１２の下面（内面）に当接する状態にして複数本を平行に且つ一定の間隔をおいて配設されている。なお、空気室１６側の集電部材１８０は、燃料室１７側の集電部材１９０と同じ構造（後述する実施形態２を含む。）にしてもよい。

以上のように燃料電池セル３は、下のインターコネクタ１３と、燃料極絶縁フレーム２１と、燃料極フレーム２２と、セパレータ２３と、空気極絶縁フレーム２４と、上のインターコネクタ１２と、の組合せによって燃料室１７と空気室１６を形成し、その燃料室１７と空気室１６を電解質２で仕切って相互に独立させ、さらに、燃料極絶縁フレーム２１と空気極絶縁フレーム２４で燃料極１５側と空気極１４側を電気的に絶縁している。

また、燃料電池セル３は、空気室１６の内部に空気を供給する空気供給流路４を含む空気供給部２５と、空気室１６から空気を外部に排出する空気排気流路５を含む空気排気部２６と、燃料室１７の内部に燃料ガスを供給する燃料供給流路６を含む燃料供給部２７と、燃料室１７から燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路７を含む燃料排気部２８と、を備えている。

［空気供給部］
空気供給部２５は、四角い燃料電池セル３の一辺側中央に上下方向に開設した空気供給通孔２９と、該空気供給通孔２９に連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の空気供給連絡室３０と、該空気供給連絡室３０と空気室１６の間を仕切る隔壁３１の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気供給連絡部３２と、前記空気供給通孔２９に挿通して外部から前記空気供給連絡室３０に空気を供給する前記空気供給流路４と、を備えている。

［空気排気部］
空気排気部２６は、燃料電池セル３の空気供給部２５の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した空気排気通孔３３と、該空気排気通孔３３に連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の空気排気連絡室３４と、該空気排気連絡室３４と空気室１６の間を仕切る隔壁３５の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気排気連絡部３６と、前記空気排気通孔３３に挿通して空気排気連絡室３４から外部に空気を排出する管状の前記空気排気流路５と、を備えている。

［燃料供給部］
燃料供給部２７は、四角い燃料電池セル３の残り二辺のうちの一辺側中央に上下方向に開設した燃料供給通孔３７と、該燃料供給通孔３７に連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の燃料供給連絡室３８と、該燃料供給連絡室３８と燃料室１７の間を仕切る隔壁３９の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料供給連絡部４０と、前記燃料供給通孔３７に挿通して外部から前記燃料供給連絡室３８に燃料ガスを供給する管状の前記燃料供給流路６と、を備えている。

［燃料排気部］
燃料排気部２８は、燃料電池セル３の燃料供給部２７の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した燃料排気通孔４１と、該燃料排気通孔４１に連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の燃料排気連絡室４２と、該燃料排気連絡室４２と燃料室１７の間を仕切る隔壁４３の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料排気連絡部４４と、前記燃料排気通孔４１に挿通して燃料排気連絡室４２から外部に燃料ガスを排出する管状の燃料排気流路７と、を備えている。

［燃料電池スタック］
燃料電池スタック８は、前記燃料電池セル３を複数セット積層してセル群となし、該セル群を固定部材９で固定して構成される。なお、燃料電池セル３を複数セット積層した場合において、下に位置する燃料電池セル３の上のインターコネクタ１２と、その上に載る燃料電池セル３の下のインターコネクタ１３は、一体にしてその一枚を上下の燃料電池セル３，３同士で共有する。
前記固定部材９は、セル群の上下を挟む一対のエンドプレート４５ａ，４５ｂと、該エンドプレート４５ａ，４５ｂとセル群をエンドプレート４５ａ，４５ｂのコーナー孔（図示せず）とセル群の前記コーナー通孔４７にボルトを通してナットで締め付ける四組の締め付け部材４６ａ〜４６ｄと、を組み合わせたものである。締め付け部材４６ａ〜４６ｄの材質は、例えばインコネル６０１である。

この燃料電池スタック８に対し前記空気供給流路４は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）とセル群の前記空気供給通孔２９を上下に貫く状態にして取り付けられており、管状流路の端部を閉じ前記空気供給連絡室３０毎に対応させて図７に示したように横孔４８を設けることにより、該横孔４８を介して空気供給連絡室３０に空気が供給されるようになっている。

同様に空気排気流路５は空気排気連絡室３４毎に対応させた横孔４９から空気を取り込んで外部に排出し、燃料供給流路６は図８に示したように燃料供給連絡室３８毎に対応させた横孔５０から燃料ガスを供給し、燃料排気流路７は燃料排気連絡室４２毎に対応させた横孔５１から燃料ガスを取り込んで外部に排出する。

［容器］
燃料電池スタック８を収める容器１０は、耐熱且つ密閉構造であって、図１に示したように、開口部にフランジ５２ａ，５２ｂを有する二個の半割体５３ａ，５３ｂを向かい合わせにして接合したものである。この容器１０の頂部から前記締め付け部材４６ａ〜４６ｄのボルトが外部に突出しており、この締め付け部材４６ａ〜４６ｄの突出部分にナット５４を螺合させて燃料電池スタック８を容器１０内に固定する。また、容器１０の頂部から前記空気供給流路４、空気排気流路５、燃料供給流路６、燃料排気流路７も外部に突出しており、その突出部分に空気や燃料ガスの供給源等が接続されている。

［出力部材］
燃料電池スタック８で発電した電気を出力する出力部材１１は、燃料電池スタック８のコーナー部分に位置する前記締め付け部材４６ａ〜４６ｄと前記エンドプレート４５ａ，４５ｂであって、対角線上で向かい合う一対の締め付け部材４６ａ，４６ｃを正極である上のエンドプレート４５ａに電気的に接続し、また、他の一対の締め付け部材４６ｂ，４６ｄを負極である下のエンドプレート４５ｂに電気的に接続する。もちろん正極に接続した締め付け部材４６ａ，４６ｄや負極に接続した締め付け部材４６ｂ，４６ｃは、他極のエンドプレート４５ａ（４５ｂ）に対しては絶縁座金５５（図１参照）を介在させ、また、燃料電池スタック８に対してはコーナー通孔４７との間に隙間を設けるなどして絶縁されている。よって、固定部材９の締め付け部材４６ａ，４６ｃは、上のエンドプレート４５ａにつながった正極の出力端子としても機能し、また、他の締め付け部材４６ｂ，４６ｄは、下のエンドプレート４５ｂにつながった負極の出力端子としても機能する。

［発電］
上記燃料電池１の空気供給流路４に空気を供給すると、その空気は、図７の右側から左側に流れ、右側の空気供給流路４と、空気供給連絡室３０と、空気供給連絡部３２とからなる空気供給部２５を通って空気室１６に供給され、この空気室１６の集電部材１８０同士の間のガス流路５６を通り抜け、さらに空気排気連絡部３６と、空気排気連絡室３４と、空気排気流路５とからなる空気排気部２６を通って外部に排出される。

同時に燃料電池１の燃料供給流路６に燃料ガスとして例えば水素を供給すると、その燃料ガスは、図８の上側から下側に流れ、上側の燃料供給流路６と、燃料供給連絡室３８と、燃料供給連絡部４０とからなる燃料供給部２７を通って燃料室１７に供給され、この燃料室１７の集電部材１９０，１９０…の間、厳密にはセル本体当接部１９０ｂ，１９０ｂ…同士の間のガス流路５７（図８において、燃料室１７内の非斜線部参照）を拡散しながら通り抜け、さらに燃料排気連絡部４４と、燃料排気連絡室４２と、燃料排気流路７とからなる燃料排気部２８を通って外部に排気される。
なお、このとき集電部材１９０が前記のように多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタルで形成されていると、ガス流路５７の表面が凸凹になるため燃料ガスの拡散性が向上する。

このような空気と燃料ガスの供給・排気を行いつつ前記容器１０内の温度を７００℃〜１０００℃にまで上昇させると、空気と燃料ガスが空気極１４と電解質２と燃料極１５を介して反応を起こすため、空気極１４を正極、燃料極１５を負極とする直流の電気エネルギーが発生する。なお、燃料電池セル３内で電気エネルギーが発生する原理は周知であるため説明を省略する。

前記のように空気極１４は、集電部材１８０を介して上のインターコネクタ１２に電気的に接続され、一方、燃料極１５は、集電部材１９０を介して下のインターコネクタ１３に電気的に接続されており、また、燃料電池スタック８は複数の燃料電池セル３を積層して直列に接続された状態であるから、上のエンドプレート４５ａが正極で、下のエンドプレート４５ｂが負極になり、その電気エネルギーが出力端子としても機能する締め付け部材４６ａ〜４６ｄを介して外部に取り出せる。

以上のように燃料電池は、発電時に温度が上昇し、発電停止により温度が下降する、という温度サイクルを繰り返す。したがって、燃料室１７や空気室１６を構成する全ての部材や前記締め付け部材４６ａ〜４６ｄについて熱膨張と収縮が繰り返され、それに伴い燃料室１７や空気室１６の間隔も拡大と縮小が繰り返される。
また、燃料圧や空気圧も変動する場合があり、その圧力の変動でセル本体２０が変形することによっても燃料室１７や空気室１６の間隔が拡大又は縮小する。
このような燃料室１７や空気室１６の拡大方向の変化に対して、実施形態では燃料室１７側の集電部材１９０が、専らスペーサー５８０の積層方向（＝厚さ方向又は締付部材４６ａ〜４６ｄの締め付け方向）の弾性力と同方向の熱膨張によってセル本体２０を押圧するため電気的接点が安定的に維持される。この集電部材１９０によるセル本体２０の押圧は空気室１６側にも影響するため、空気室１６の電気的接点も安定的に維持される。
また、燃料室１７や空気室１６の縮小方向の変化に対して、燃料室１７側の専らスペーサー５８０の収縮によってセル本体２０に加わる応力が緩和される。

また、燃料極１５側の集電部材１９０がＮｉか又はＮｉ合金であると、発電時の高温環境下でセル本体当接部１９０ｂが燃料極１５中のＮｉと拡散接合して一体になる。したがって集電部材１９０による電気的接続がより安定的に維持される。
なお、好ましくは燃料極１５にＮｉＯペーストを塗布して接合層を形成しておくとよい。そうすることによりＨ_２ 中の通電でＮｉＯがＮｉになるから集電部材１９０と燃料極１５の接合性がさらに向上する。前記接合層は、燃料極１５にＰｔペーストを塗布することによって形成してもよい。

また、実施形態１では下のインターコネクタ１３にコネクタ当接部１９０ａの集合体である平板１９０ｐを溶接して接合するようにしたが、該インターコネクタ１３と平板１９０ｐの材質を発電時の高温環境下で拡散接合し得る組み合わせ（例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＨとＮｉ）にするか、或は下のインターコネクタ１３の内面側に前記のような接合層を形成するようにしておけば、発電時の高温環境下でインターコネクタ１３と集電部材１９０を接合して一体にすることができる。

［実施形態２］
図１３〜図１６は実施形態２を示す燃料電池セル３の中間省略縦断面図である。実施形態１は、集電部材１９０の連接部１９０ｃをＵ字状に曲げてコネクタ当接部１９０ａの上方にセル本体当接部１９０ｂを配置すると共にコネクタ当接部１９０ａとセル本体当接部１９０ｂの間にスペーサー５８０を介在させるようにしたが、実施形態２では連接部１９０ｃを斜めにして、図１３のようにコネクタ当接部１９０ａとセル本体当接部１９０ｂの上下位置を完全に異ならせるか又は図１４のように集電部材１９０を断面略Ｚ字状にしてコネクタ当接部１９０ａとセル本体当接部１９０ｂの一部が上下位置を違えて重なるように配置し、そうしてコネクタ当接部１９０ａとセル本体２０及びセル本体当接部１９０ｂとインターコネクタ１３を隔てるように前記スペーサー５８０を配置したものである。また、図１５のようにスペーサー５８０をコネクタ当接部１９０ａとセル本体２０を隔てるように介在させるか、或は図１６のようにスペーサー５８０をセル本体当接部１９０ｂとインターコネクタ１３を隔てるように介在させるようにすることもできる。
実施形態１と実施形態２の構成の相違は以上のとおりであり、それ以外の点については実施形態１と同じであるため詳細な説明を省略する。

１ …燃料電池
２ …電解質
３ …燃料電池セル
８ …燃料電池スタック
１２，１３ …インターコネクタ
１４ …空気極
１５ …燃料極
１８０，１９０ …集電部材
１９０ａ …コネクタ当接部
１９０ｂ …セル本体当接部
１９０ｃ …連接部
２０ …セル本体
４６ａ〜４６ｄ …締め付け部材
５８０ …スペーサー

Claims (12)

1. 一対のインターコネクタと、
   該インターコネクタのそれぞれと間隔を離してその間に位置し、板状の電解質の上下面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
   前記電極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、該電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
   前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体の前記電極に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
   前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部との間に配置されるスペーサーを有し、
   前記集電部材と前記スペーサーは前記セル本体と前記インターコネクタの前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共に、前記スペーサーの弾性量は前記集電部材の弾性量より大きいことを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記連接部が折り曲げられ、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部が前記スペーサーの両側に配置されている請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 一対のインターコネクタと、
   該インターコネクタのそれぞれと間隔を離してその間に位置し、板状の電解質の上下面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
   前記電極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、該電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
   前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体の前記電極に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
   前記コネクタ当接部と前記セル本体との間、及び、前記セル本体当接部と前記インターコネクタとの間のそれぞれに配置されるスペーサーを有し、
   前記集電部材と前記スペーサーは前記セル本体と前記インターコネクタの前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共に、前記スペーサーの弾性量は前記集電部材の弾性量より大きいことを特徴とする燃料電池セル。
4. 一対のインターコネクタと、
   該インターコネクタのそれぞれと間隔を離してその間に位置し、板状の電解質の上下面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
   前記電極の少なくとも一方と前記インターコネクタとの間に配置され、該電極と前記インターコネクタとを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池セルであって、
   前記集電部材は、前記インターコネクタに当接するコネクタ当接部と、前記セル本体の前記電極に当接するセル本体当接部と、前記コネクタ当接部と前記セル本体当接部をつなぐ連接部とが一連に形成され、
   前記コネクタ当接部と前記セル本体との間、又は、前記セル本体当接部と前記インターコネクタとの間、のどちらか一方に配置されるスペーサーを有し、
   前記集電部材と前記スペーサーは前記セル本体と前記インターコネクタの前記間隔が拡大する方向に弾性を有すると共に、前記スペーサーの弾性量は前記集電部材の弾性量より大きいことを特徴とする燃料電池セル。
5. 前記スペーサーは、マイカ、アルミナフェルト、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの少なくとも何れか１種とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記インターコネクタと、前記セル本体と、前記集電部材とを積層して一体に締め付ける締め付け部材をさらに有し、
   前記締め付け部材及び前記スペーサーにより、前記集電部材の前記セル本体当接部が前記セル本体に当接し及び／又は前記コネクタ当接部が前記インターコネクタに当接するように押圧されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
7. 前記スペーサーは、前記締め付け部材よりも締め付け方向の熱膨張率が高いことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セル。
8. 前記集電部材は、多孔質金属又は金網又はワイヤー又はパンチングメタル製であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
9. 前記集電部材の前記セル本体当接部が、前記セル本体の前記少なくとも一方の電極の表面に接合されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の燃料電池セル。
10. 前記集電部材の前記コネクタ当接部が、前記インターコネクタに接合されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
11. 前記集電部材は、燃料極と前記インターコネクタとの間に配置されて、Ｎｉ又はＮｉ合金製であることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の燃料電池セル。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数個積層して締め付け部材により固定してなることを特徴とする燃料電池スタック。

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