JP5872951B2

JP5872951B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5872951B2
Application number: JP2012097214A
Authority: JP
Inventors: 大野　猛; 大野　　猛; 勝久籔田; 良二谷村; 千栄林
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-04-21
Filing date: 2012-04-21
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2032-04-21
Also published as: JP2013225422A

Description

本発明は、板状の電解質体の表裏面に二つの電極を設け、それぞれの電極に反応ガスを供給して発電する燃料電池に関する。

一般的な燃料電池は、板状の電解質体の表裏面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、該セル本体の表裏面の電極にそれぞれ対向して配置された導電性を有する一対のコネクタと、セル本体の電極とコネクタとの間に配置されて両者を電気的に接続する集電部材と、を備えている（特許文献１参照）。

このような燃料電池は、温度サイクルや反応ガスの圧力の変動などによってセル本体とコネクタの間隔に広狭の変位が生じ得る。したがって、セル本体とコネクタを電気的に接続する集電部材は、このような間隔の変位に対し適宜変形して応力を緩和し、セル本体とコネクタを安定的に接続させ得るように様々な構造が考えられている。

その一つに、図１５に示したように、セル本体（図示せず）とコネクタ（図示せず）に接する半楕円状の突起５００，５００…を上下の位置と向きとを違えてベース部材６００に複数個形成し、そうして突起５００自身の変形と、突起５００を支えるベース部材６００の変形とを組み合わせるようにした集電部材７００が、例えば特許文献１の図９に記載されている。

特開２００８−１４７０２１号公報

しかしながら図１５に示した集電部材７００は、単一材料で形成されていて応力を緩和する能力が十分でないため、セル本体とコネクタの間隔が広がる方向に変位した場合に、集電部材７００の突起５００とセル本体の界面に残応力が伝わりやすくて隙間が出来る可能性があった。また、セル本体とコネクタの間隔が狭まる方向に変位した場合に、集電部材７００の突起５００とセル本体の界面に残応力が伝わりやすくてセル本体が破壊される可能性があった。

本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、セル本体とコネクタの間隔の変位に応じて変形し、そうして応力を緩和して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、
板状の電解質体の表裏面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
前記セル本体の前記電極に対向して配置され導電性を有するコネクタと、
前記電極と、前記コネクタとの間に配置され、前記電極と前記コネクタを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池であって、
前記集電部材は、
一方の表面が前記コネクタに対向し他方の表面が前記電極に対向するように前記コネクタと前記電極の間に配置され、導電性を備えたシート状のシート部材と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記一方の表面に配置されて前記シート部材と前記コネクタを電気的に接続するコネクタ側集電体と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記他方の表面に配置されて前記シート部材と前記電極を電気的に接続する電極側集電体と、を備えると共に、
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と前記電極側集電体が重ならないように配置されており、
さらに前記シート部材は、前記コネクタ側集電体および前記電極側集電体のいずれよりも変形しやすい材質の部材で構成されている燃料電池を提供する。

また、請求項２に記載したように、前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と前記電極側集電体間の距離（Ｌ）は、前記セル本体の厚み方向における前記コネクタ側集電体の厚み（Ｈ１）と前記セル本体の厚み方向における電極側集電体の厚み（Ｈ２）のいずれよりも大きくなるように設定されている請求項１に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項３に記載したように、対向して配置された前記セル本体と前記シート部材の間において、前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と重なる位置に第１介在部材が配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項４に記載したように、対向して配置された前記コネクタと前記シート部材の間において、前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記電極側集電体と重なる位置に第２介在部材が配置されている請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項５に記載したように、前記シート部材は、通気孔を有する構造を備える請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項６に記載したように、前記シート部材は、メッシュである請求項５に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項７に記載したように、前記電極側集電体は、Ｎｉセルメット、フェルト又は不織布の少なくとも一種で構成されている請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項８に記載したように、
前記コネクタが、二つの主面を形成する板状をなし、
隣接する二つの前記セル本体が前記コネクタの二つの主面側にそれぞれ配置され、
二つの前記セル本体の一方を第１セル本体とし、他方を第２セル本体とした場合に、
前記コネクタの前記第１セル本体側の一方の主面に、前記第１セル本体と前記コネクタとを電気的に接続する第１集電部材が配置され、
前記コネクタの前記第２セル本体側の他方の主面に、前記第２セル本体と前記コネクタとを電気的に接続する第２集電部材が配置され、
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記第１集電部材の前記電極側集電体と、前記第２集電部材の前記コネクタ側集電体が重ならないように配置されている請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項９に記載したように、
第１、第２の主面を有する板状のコネクタと、
板状の第１の電解質体の両側にそれぞれ第１、第２の電極を備え、前記第１の電極を前記コネクタの前記第１の主面に向けて配置された第１のセル本体と、
板状の第２の電解質体の両側にそれぞれ第３、第４の電極を備え、前記第４の電極を前記コネクタの前記第２の主面に向けて配置された第２のセル本体と、
前記コネクタの前記第１の主面に形成され、前記第１のセル本体の前記第１の電極の表面に接触する接触部と、
前記第２のセル本体の前記第４の電極と、前記コネクタの前記第２の主面との間に配置され、前記第４の電極と前記コネクタを電気的に接続する集電部材と、
を備えた燃料電池であって、
前記集電部材は、
一方の表面が前記コネクタに対向し他方の表面が前記第４の電極に対向するように前記コネクタと前記第４の電極の間に配置され、導電性を備えたシート状のシート部材と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記一方の表面に配置されて前記シート部材と前記コネクタを電気的に接続するコネクタ側集電体と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記他方の表面に配置されて前記シート部材と前記第４の電極を電気的に接続する電極側集電体と、を備えると共に、
前記コネクタの厚み方向に沿って見たとき、
前記コネクタ側集電体と前記電極側集電体、および、前記コネクタ側集電体と前記接触部が重ならないように配置されており、
さらに前記シート部材は、前記コネクタ側集電体および前記電極側集電体のいずれよりも変形しやすい材質の部材で構成されている燃料電池を提供する。

請求項１に記載の燃料電池は、集電部材が、シート部材とコネクタ側集電体と電極側集電体の三部材を組み合わせた構造になっているため、コネクタ側集電体と電極側集電体をセル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成し、さらにそれらを支えるシート部材を面方向に変形し得る材料で形成する、というように各部材の材質を適宜選択して、前記した温度サイクルや反応ガスの圧力の変動などによってセル本体とコネクタの間隔に広狭の変位が生じた場合の応力緩和性能を高めることができる。

また、シート部材をコネクタ側集電体および電極側集電体のいずれよりも変形しやすい材質の部材で構成すれば、小さい変位に対してコネクタ側集電体および電極側集電体の変形に依らずともシート部材の変形で俊敏に対応することができる。

また、請求項２に記載したように、セル本体の厚み方向に沿って見たとき、コネクタ側集電体と電極側集電体間の距離（Ｌ）、換言すれば、セル本体の厚み方向にセル本体又は電極にコネクタ側集電体と電極側集電体を投影したときの両者間の距離（Ｌ）を、セル本体の厚み方向におけるコネクタ側集電体の厚み（Ｈ１）とセル本体の厚み方向における電極側集電体の厚み（Ｈ２）のいずれよりも大きく設定することにより、シート部材の緩衝作用が大きくなってシート部材の変形で俊敏に対応できる幅が広がる。

また、請求項３に記載したように、対向して配置されたセル本体とシート部材の間において、セル本体の厚み方向に沿って見たとき、コネクタ側集電体と重なる位置に第１介在部材を配置することで、シート部材の材質として仮にセル本体の電極に焼き付き得るものを選択した場合でも、第１介在部材の介在によって焼き付きが防止できる。したがってシート部材の材質選択の幅が広がる。

また、請求項４に記載したように、対向して配置されたコネクタとシート部材の間において、セル本体の厚み方向に沿って見たとき、電極側集電体と重なる位置に第２介在部材を配置することで、シート部材の材質として仮にコネクタに焼き付き得るものを選択した場合でも、第２介在部材の介在によって焼き付きが防止できる。したがってシート部材の材質選択の幅が広がる。

また、請求項５に記載したように、シート部材を通気孔を有する材質で形成することにより、反応ガスがシート部材を通過して電極に接触し得るため、シート部材を大きくしてしっかりと電極側集電体とコネクタ側集電体を支持させることができる。このようなシート部材として具体的に請求項６に記載したようにメッシュがある。

また、請求項７に記載したように、電極側集電体をＮｉセルメット、フェルト又は不織布のような通気性を有する素材で構成すれば、電極側集電体を大きくして電極との接触面を大きくすることができる。

また、請求項８に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項７に記載の集電部材を電極とコネクタの間の全てに配置するようにしたものであるが、その際、第１集電部材の電極側集電体と、第２集電部材のコネクタ側集電体が重ならないように配置することにより、全ての電極側集電体とコネクタ側集電体同士が一つのコネクタの表裏で線対称位置に並ぶことがない（図１１参照）。これにより各集電部材同士がセル本体やコネクタを介して影響を及ぼし合うことが殆ど無く、各要素の変位が吸収しやすくなる。

また、請求項９に記載の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池と同様に、集電部材が、シート部材とコネクタ側集電体と電極側集電体の三部材を組み合わせた構造になっているため、コネクタ側集電体と電極側集電体をセル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成し、さらにそれらを支えるシート部材を面方向に変形し得る材料で形成する、というように各部材の材質を適宜選択して、前記した温度サイクルや反応ガスの圧力の変動などによってセル本体とコネクタの間隔に広狭の変位が生じた場合の応力緩和性能を高めることができる。加えて、集電部材のコネクタ側集電体の配置をコネクタの第１の主面に形成された接触部と重ならない配置にしたことにより、コネクタ側集電体の変形に接触部が影響を与えないため、コネクタ側集電体の変位の吸収作用が効率良く行われる。

燃料電池の分解斜視図である。分解パーツを絞った燃料電池の分解斜視図である。燃料電池の斜視図である。燃料電池の中間を省略した一部拡大図を含む縦断面図である。図４のＡ−Ａ線断面図である。図４のＢ−Ｂ線断面図である。集電部材の一部拡大図を含む斜視図である。集電部材の分解斜視図である。積層体にした燃料電池の斜視図である。積層体にした燃料電池の要部拡大断面図である。他の形態を示すもので、積層体にした燃料電池の要部拡大断面図である。他の形態を示すもので、積層体にした燃料電池の中間を省略した縦断面図である。他の形態を示す集電部材の分解斜視図である。他の形態を示す集電部材の分解斜視図である。従来技術を示す集電部材の要部拡大断面図である。

現在、燃料電池には電解質体の材質により大別して、高分子電解質体膜を電解質体とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と、リン酸を電解質体とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）と、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質体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体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（イオンが電解質体中を移動できる温度）が異なり、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。

図１〜図１０に示した燃料電池１は、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質体２とするＳＯＦＣである。この燃料電池１は、一つの電解質体２を含むセル本体３と、燃料電池１に一方の反応ガスたる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１にもう一方の反応ガスたる水素等の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、を有する。なお、この燃料電池１は発電の最小単位であって、実際の燃料電池１００は、複数の燃料電池１を図９に示したように直列に積層した積層体８と、該積層体８を一体に固定する固定部材９と、積層体８を納める容器１０と、積層体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］
燃料電池１は平面視正方形であり、図１に示したように、二つの主面を有する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。）のコネクタ１２と、同じく二つの主面を有する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コネクタ１３と、上下のコネクタ１２，１３のほぼ中間に位置すると共に板状の電解質体２の上のコネクタ１２の内向き主面（下面）に対向する表面に電極（以下、空気極ともいう。）１４を形成すると共に下のコネクタ１３の内向き主面（上面）に対向する裏面に電極（以下、燃料極ともいう。）１５を形成したセル本体３と、上のコネクタ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１８と、前記燃料室１７の内部に配置され燃料極１５と下のコネクタ１３とを電気的に接続する燃料極１５側の集電部材１９と、を有し、正方形のコーナー部分を含む適宜な位置に前記固定部材９の後述する締め付け部材４６ａ〜４６ｄを通す締付通孔４７，４７…を貫通状態に形成したものである。

［電解質体］
前記電解質体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系セラミック等で板状に形成される。

［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１，図２に示したように、集電部材１９の周りを囲う状態にして下のコネクタ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１９は、図４，図７，図８に示したように、一方の表面がコネクタ１３に対向し、他方の表面が燃料極１５に対向するようにコネクタ１３と燃料極１５の間に配置された導電性を有するシート状のシート部材１９ａと、該シート部材１９ａのコネクタ１３に対向する方の表面に配置されてシート部材１９ａとコネクタ１３を電気的に接続するコネクタ側集電体１９ｂと、該シート部材１９ａの燃料極１５に対向する方の表面に配置されてシート部材１９ａと燃料極１５を電気的に接続する電極側集電体１９ｃと、を備えている。

［シート部材］
前記シート部材１９ａは、燃料室１７内にほぼ整合する大きさの例えばＣｕ製で、図８に示したように網目状の通気孔を有するメッシュや、Ｃｕ箔に多数の通気孔を有するパンチング構造（図示せず）になっており、面方向に柔軟性を有する。

［コネクタ側集電体］
前記コネクタ側集電体１９ｂは、厚み方向に適度な変形弾性を有する導電性の多孔体であって、例えば、Ｎｉセルメット、フェルト又は不織布等で形成されている。このコネクタ側集電体１９ｂは、図７，図８に示したように、燃料ガスの流れ方向に細長いコネクタ側短冊片１９ｂＴ，１９ｂＴ…を複数本間隔を離して並べたものであり、シート部材１９ａに接合されている。

［電極側集電体］
前記電極側集電体１９ｃは、厚み方向に適度な変形弾性を有する導電性の多孔体であって、例えば、Ｎｉセルメット、フェルト又は不織布等で形成されている。この電極側集電体１９ｃは、図７，図８に示したように、燃料ガスの流れ方向に細長い複数本の電極側短冊片１９ｃＴ，１９ｃＴ…を前記コネクタ側集電体１９ｂ，１９ｂ…のコネクタ側短冊片１９ｂＴ，１９ｂＴ…の間の位置に並べてシート部材１９ａに接合されている。

ところで、コネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃの双方又は何れか一方がＮｉか又はＮｉ合金であると、発電時の高温環境下でコネクタ１３との接触面又は燃料極１５との接触面が拡散接合により一体になる。したがって集電部材１９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になるから電極側集電体１９ｃ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。

［コネクタ側集電体−電極側集電体］
コネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃは、上記のように前記セル本体３の厚み方向に沿って見たとき、互いに重ならないように配置されている。具体的には、図４においてセル本体３の厚み方向に沿って見たとき、コネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃの間の距離（Ｌ）は、セル本体３の厚み方向におけるコネクタ側集電体１９ｂの厚み（Ｈ１）とセル本体３の厚み方向における電極側集電体１９ｃの厚み（Ｈ２）のいずれよりも大きくなるように設定されている。こうすることによりシート部材１９ａの変形領域が広くなって緩衝力が大きくなる。また、シート部材１９ａは、コネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃのいずれよりも変形しやすくなっており、これによりシート部材１９ａの緩衝力を優先的に作用させることができる。

一方、コネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃの間の距離（Ｌ）が両集電体１９ｂ，１９ｃの厚み（Ｈ１，Ｈ２）のいずれよりも大きいと、コネクタ側集電体１９ｂに押されたシート部材１９ａがセル本体３の燃料極１５に接触するおそれがあり、また、電極側集電体１９ｃに押されたシート部材１９ａがコネクタ１３に接触するおそれがある。この場合、接触し合う部材同士（シート部材１９ａと燃料極１５、シート部材１９ａとコネクタ１３）の材質の組合せによっては発電時の高温（燃料電池作動温度域）で焼結する可能性があり、もし焼結するとその部分ではシート部材１９ａの緩衝作用が機能しない。

そこで実施形態では、セル本体３とシート部材１９ａの間において、セル本体３の厚み方向に沿って見たとき、コネクタ側集電体１９ｂと重なる位置にシート部材１９ａと燃料極１５の焼き付きを防止する第１介在部材２０ａが配置され、また、コネクタ１３とシート部材１９ａの間において、セル本体３の厚み方向に沿って見たとき、電極側集電体１９ｃと重なる位置にシート部材１９ａとコネクタ１３の焼き付きを防止する第２介在部材２０ｂが配置されている。第１介在部材２０ａ及び第２介在部材２０ｂの材質としては、マイカ、アルミナ、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの何れか自体か、或は少なくとも何れか１種を主成分とするものでもよい。
なお、第１介在部材２０ａと第２介在部材２０ｂは、重なり部分の全てをカバーし得る形状が好ましいが、対象となる部材同士の直接的な接触を生じさせない機能を有する限りにおいて重なり部分の一部をカバーする形状であってもよい。

［空気室］
前記空気室１６は、図１，図２，図４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体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と上のコネクタ１２との間に設置されて集電部材１８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１８は、細長い板材形状で、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、電解質体２の表面の空気極１４と上のコネクタ１２の内向き主面（下面）に当接する状態にして複数本（実施形態では電極側集電体１９ｃと同数）を、図４に示したようにセル本体３の厚み方向に沿って見たとき電極側集電体１９ｃと重なる位置に配設したものである。

なお、空気室１６側の集電部材１８は、燃料室１７側の集電部材１９と同じ構造にしてもよい。その場合の好ましい形態を示したのが図１１の縦断面図である。すなわち、図１１は燃料電池１を複数積層したものであり、二つの主面を有するコネクタ１２−１３（積層体８のコネクタは、後述するように上下に隣り合うコネクタ１２，１３を共有するため、そのようなコネクタに「１２−１３」の符合を付す。以下同じ）を挟んで隣接する二つのセル本体３の一方を第１セル本体３／１とし、他方を第２セル本体３／２とした場合に、コネクタ１２−１３の第１セル本体３／１側の一方の主面に、第１セル本体３／１とコネクタ１２−１３とを電気的に接続する第１集電部材１９／１が配置され、コネクタ１２−１３の第２セル本体３／２側の他方の主面に、第２セル本体３／２とコネクタ１２−１３とを電気的に接続する第２集電部材１８／２が配置され、セル本体３の厚み方向に沿って見たとき、第１集電部材１９／１の電極側集電体１９ｃと、第２集電部材１８／２のコネクタ側集電体１９ｂが重ならないように配置されている。この状態は、前記集電部材１９を各層毎に平行移動させた状態であり、図１１に示したように全てのコネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃに、シート部材１９ａを介して緩衝空間Ｓが対応するから、集電部材１９／１，１８／２同士がセル本体３やコネクタ１２−１３を介して影響を及ぼし合うことが殆ど無く、各要素の変位が吸収されやすくなる。

また、空気室１６側の集電部材１８は、コネクタ１２（１３）と一体の接触部１８０に変更してもよい。その形態を示したものが図１２の縦断面図である。すなわち、図１２は燃料電池１を複数積層したものであり、第１、第２の主面を有する板状のコネクタ１２−１３と、板状の第１の電解質体２／１の両側にそれぞれ第１、第２の電極（以下、第１の空気極１４／１、第２の燃料極１５／２という。）を備え、前記第１の空気極１４／１をコネクタ１２−１３の第１の主面に向けて配置された第１のセル本体３／１と、板状の第２の電解質体２／２の両側にそれぞれ第３、第４の電極（以下、第３の空気極１４／３、第４の燃料極１５／４という。）を備え、第４の燃料極１５／４をコネクタ１２−１３の第２の主面に向けて配置された第２のセル本体３／２と、コネクタ１２−１３の第１の主面に形成され、第１のセル本体３／１の第１の空気極１４／１の表面に接触する接触部１８０と、第２のセル本体３／２の第４の燃料極１５／４と、コネクタ１２−１３の第２の主面との間に配置され、第４の燃料極１５／４とコネクタ１２−１３を電気的に接続する集電部材１９と、を備えている。
そして、集電部材１９は、一方の表面がコネクタ１２−１３に対向し他方の表面が第４の燃料極１５／４に対向するようにコネクタ１２−１３と第４の燃料極１５／４の間に配置されて導電性を備えたシート状のシート部材１９ａと、シート部材１９ａの一方の表面に配置されてシート部材１９ａとコネクタ１２−１３を電気的に接続するコネクタ側集電体１９ｂと、シート部材１９ａの他方の表面に配置され、シート部材１９ａと第４の燃料極１５を電気的に接続する電極側集電体１９ｃと、を備えている。
そしてさらに各要素は、コネクタ１２−１３の厚み方向に沿って見たとき、コネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃ、および、コネクタ側集電体１９ｂと接触部１８０が重ならないように配置されている。
かかる構成においてコネクタ１２−１３と一体の接触部１８０は殆ど変形しないため、変位の吸収は専ら燃料室１７側の集電部材１８によって行われる。

以上のように燃料電池１は、下のコネクタ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を電解質体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１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１の一辺側であってコーナー寄りの位置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１の空気供給部２５の反対側の一辺側コーナー寄りの位置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１の前記空気供給部２５と同じ一辺側であって前記空気供給通孔２９と反対側のコーナー寄りの位置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１の燃料供給部２７の反対側の一辺側コーナー寄りの位置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。

［積層体］
前記のように燃料電池１は、発電の最小単位であって単独でも発電可能であるが、実際は、複数の燃料電池１を図９に示したように直列に積層して固定部材９で固定した積層体８の状態で発電する。なお、燃料電池１を複数積層した場合において、下に位置する燃料電池１の上のコネクタ１２と、その上に載る燃料電池１の下のコネクタ１３は、一体にして上下の燃料電池１，１同士で共有する。
前記固定部材９は、積層体８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と積層体８をエンドプレート４５ａ，４５ｂのコーナー孔（図示せず）と積層体８の前記締付通孔４７にボルトを通してナットで締め付ける６組の締め付け部材４６ａ〜４６ｆと、を組み合わせたものである。締め付け部材４６ａ〜４６ｆの材質は、例えばインコネル６０１である。

この燃料電池１の積層体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５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６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］
積層体８を収める容器１０は、耐熱且つ密閉構造であって、図９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〜４６ｆのボルトが外部に突出しており、この締め付け部材４６ａ〜４６ｆの突出部分にナット５４を螺合させて積層体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１で発電した電気を出力する出力部材１１は、積層体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９参照）を介在させ、また、積層体８に対しては締付通孔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５の上側から下側に流れ、上側の空気供給流路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１８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６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１９のガス流路５７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。

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と電解質体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が発生する。なお、燃料電池セル３内で電気エネルギ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１８を介して上のコネクタ１２に電気的に接続され、一方、燃料極１５は、集電部材１９を介して下のコネクタ１３に電気的に接続されており、また、積層体８は複数の燃料電池１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すことができる。

以上のように燃料電池１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〜４６ｆ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３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、実施形態ではシート部材１９ａの面方向への変形とコネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃの伸びで緩和し、逆に、燃料室１７や空気室１６の間隔が縮小する方向の変化に対して、実施形態では、シート部材１９ａの面方向への変形とコネクタ側集電体１９ｂと電極側集電体１９ｃの収縮で応力を緩和する。

以上、本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、シート部材１９ａを図１３のように複数本の短冊状にしてコネクタ側集電体１９ｂや電極側集電体１９ｃと交差させ、そうして集電部材１９全体を格子状にして通気性を高めるようにしてもよい。
また、コネクタ側集電体１９ｂや電極側集電体１９ｃを図１４のように四角いチップ状にしてシート部材１９ａに接着するようにしてもよい。
また、実施形態では、セル本体３とシート部材１９ａの間に第１介在部材２０ａを配置すると共にコネクタ１３とシート部材１９ａの間に第２介在部材２０ｂを配置したが、これらの一部又は全部を使用しない場合でも従来との比較において本発明を実施することにより得られる利益は大きい。

１ …燃料電池
２ …電解質体
２／１ …第１の電解質体
２／２ …第２の電解質体
３ …セル本体
３／１ …第１セル本体
３／２ …第２セル本体
８ …燃料電池スタック
１２，１３，１２−１３ …コネクタ
１４ …電極（空気極）
１４／１ …第１の電極（空気極）
１４／３ …第３の電極（空気極）
１５ …電極（燃料極）
１５／２ …第２の電極（燃料極）
１５／４ …第４の電極（燃料極）
１８ …集電部材
１８／２ …第２集電部材
１８０ …接触部
１９ …集電部材
１９／１ …第１集電部材
１９ａ …シート部材
１９ｂ …コネクタ側集電体
１９ｃ …電極側集電体
２０ａ …第１介在部材
２０ｂ …第２介在部材
Ｌ …距離
Ｈ１ …コネクタ側集電体の厚み
Ｈ２ …電極側集電体の厚み

Claims

板状の電解質体の表裏面にそれぞれ電極が形成されたセル本体と、
前記セル本体の前記電極に対向して配置され導電性を有するコネクタと、
前記電極と、前記コネクタとの間に配置され、前記電極と前記コネクタを電気的に接続する集電部材と、を備えた燃料電池であって、
前記集電部材は、
一方の表面が前記コネクタに対向し他方の表面が前記電極に対向するように前記コネクタと前記電極の間に配置され、導電性を備えたシート状のシート部材と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記一方の表面に配置されて前記シート部材と前記コネクタを電気的に接続するコネクタ側集電体と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記他方の表面に配置されて前記シート部材と前記電極を電気的に接続する電極側集電体と、を備えると共に、
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と前記電極側集電体が重ならないように配置されており、
さらに前記シート部材は、前記コネクタ側集電体および前記電極側集電体のいずれよりも変形しやすい材質の部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と前記電極側集電体間の距離（Ｌ）は、前記セル本体の厚み方向における前記コネクタ側集電体の厚み（Ｈ１）と前記セル本体の厚み方向における電極側集電体の厚み（Ｈ２）のいずれよりも大きくなるように設定されている請求項１に記載の燃料電池。
対向して配置された前記セル本体と前記シート部材の間において、
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と重なる位置に第１介在部材が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
対向して配置された前記コネクタと前記シート部材の間において、
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記電極側集電体と重なる位置に第２介在部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池。
前記シート部材は、通気孔を有する構造を備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池。
前記シート部材は、メッシュであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
前記電極側集電体は、Ｎｉセルメット、フェルト又は不織布の少なくとも一種で構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池。
前記コネクタが、二つの主面を形成する板状をなし、
隣接する二つの前記セル本体が前記コネクタの二つの主面側にそれぞれ配置され、
二つの前記セル本体の一方を第１セル本体とし、他方を第２セル本体とした場合に、
前記コネクタの前記第１セル本体側の一方の主面に、前記第１セル本体と前記コネクタとを電気的に接続する第１集電部材が配置され、
前記コネクタの前記第２セル本体側の他方の主面に、前記第２セル本体と前記コネクタとを電気的に接続する第２集電部材が配置され、
前記セル本体の厚み方向に沿って見たとき、前記第１集電部材の前記電極側集電体と、前記第２集電部材の前記コネクタ側集電体が重ならないように配置されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池。
第１、第２の主面を有する板状のコネクタと、
板状の第１の電解質体の両側にそれぞれ第１、第２の電極を備え、前記第１の電極を前記コネクタの前記第１の主面に向けて配置された第１のセル本体と、
板状の第２の電解質体の両側にそれぞれ第３、第４の電極を備え、前記第４の電極を前記コネクタの前記第２の主面に向けて配置された第２のセル本体と、
前記コネクタの前記第１の主面に形成され、前記第１のセル本体の前記第１の電極の表面に接触する接触部と、
前記第２のセル本体の前記第４の電極と、前記コネクタの前記第２の主面との間に配置され、前記第４の電極と前記コネクタを電気的に接続する集電部材と、
を備えた燃料電池であって、
前記集電部材は、
一方の表面が前記コネクタに対向し他方の表面が前記第４の電極に対向するように前記コネクタと前記第４の電極の間に配置され、導電性を備えたシート状のシート部材と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記一方の表面に配置されて前記シート部材と前記コネクタを電気的に接続するコネクタ側集電体と、
前記セル本体の厚み方向に弾性を有する材料で形成され、前記シート部材の前記他方の表面に配置されて前記シート部材と前記第４の電極を電気的に接続する電極側集電体と、を備えると共に、
前記コネクタの厚み方向に沿って見たとき、前記コネクタ側集電体と前記電極側集電体、および、前記コネクタ側集電体と前記接触部が重ならないように配置されており、
さらに前記シート部材は、前記コネクタ側集電体および前記電極側集電体のいずれよりも変形しやすい材質の部材で構成されていることを特徴とする燃料電池。