(57)【要約】【課題】部品点数を削減すると共に工程を簡素化する。【解決手段】燃料電池スタックの集電構造は、ガスマニホールドからのガスが内部を流れる筒状の内側電極層と、筒状の外側電極層と、内側電極層と外側電極層との間に配置される筒状の電解質層と、を含むセル本体をそれぞれ有する複数の燃料電池セルから接続部材を介して集電するものである。燃料電池セルは、セル本体の筒状の延在方向における少なくとも一方の端部に、外周面から内周面に亘って連続して覆うように導電性ペーストが固化した集電層を有する。接続部材は、互いに隣接する２つの燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの外側電極層と電気的に接続されると共に、他方の燃料電池セルの集電層の外周面に取り付けられて他方の燃料電池セルの内側電極層と電気的に接続される。【選択図】図２
2020035518.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスマニホールドからのガスが内部を流れる筒状の内側電極層と、筒状の外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層との間に配置される筒状の電解質層と、を含むセル本体をそれぞれ有する複数の燃料電池セルから接続部材を介して集電する燃料電池スタックの集電構造であって、
前記複数の燃料電池セルは、前記セル本体の筒状の延在方向における少なくとも一方の端部に、外周面から内周面に亘って連続して覆うように導電性ペーストが固化した集電層を有し、
前記接続部材は、互いに隣接する２つの前記燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの前記外側電極層と電気的に接続されると共に、他方の燃料電池セルの前記集電層の外周面に取り付けられて該他方の燃料電池セルの前記内側電極層と電気的に接続される、
燃料電池スタックの集電構造。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックの集電構造であって、
前記電解質層は、前記内側電極層の外周面の全面に亘って形成され、
前記外側電極層は、前記電解質層の筒状の延在方向における端部を除いた外周面に形成され、
前記集電層は、前記内側電極層の筒状の延在方向における端部の内周面から前記電解質層の筒状の延在方向における端部の外周面に亘って連続して覆うように形成されている、
燃料電池スタックの集電構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池スタックの集電構造であって、
前記複数の燃料電池セルは、長手方向が上下方向となるよう立設され、
上下方向に貫通する貫通孔を有し、前記セル本体の上端部の内径に嵌合されて前記内側電極層を通過したガスを上方へ排出する耐熱性セラミック製のノズル部材と、
前記ノズル部材と前記セル本体との間をシールするガラス製の第１シール部材と、
を備え、
前記ノズル部材は、前記セル本体の内径に嵌合される嵌合部と、前記セル本体の上端面が下端面側に突き当てられるように前記嵌合部の外径よりも大きい外径を有する第１柱状部と、該第１柱状部の上端面から上方に突出したノズル部と、を有し、
前記集電層は、前記セル本体の上端部に有し、
前記第１シール部材は、前記第１柱状部の下端面と前記集電層の上端面との間と、前記嵌合部の外周面と前記集電層の内周面との間とを連続してシールする、
燃料電池スタックの集電構造。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項に記載の燃料電池スタックの集電構造であって、
前記複数の燃料電池セルは、長手方向が上下方向となるよう立設され、
上下方向に貫通する貫通孔を有し、前記セル本体の下端部の内径と前記ガスマニホールドのガス孔とに嵌合されて該ガスマニホールドから前記内側電極層の内部にガスを導入する絶縁性セラミック製のブッシュ部材と、
前記ブッシュ部材と前記セル本体との間をシールするガラス製の第２シール部材と、
前記ブッシュ部材と前記ガスマニホールドとの間をシールするガラス製の第３シール部材と、
を備え、
前記ブッシュ部材は、前記セル本体の内径に嵌合されるセル側嵌合部と、前記セル本体の下端面が上端面側に突き当てられるように前記セル側嵌合部の外径よりも大きい外径を有する第２柱状部と、該第２柱状部の外径よりも小さい外径により該第２柱状部の下端面から下方に突出して前記ガス孔に嵌合されるマニホールド側嵌合部と、を有し、
前記集電層は、前記セル本体の下端部に有し、
前記第２シール部材は、前記第２柱状部の上端面と前記集電層の下端面との間と、前記セル側嵌合部の外周面と前記集電層の内周面との間とを連続してシールし、
前記第３シール部材は、前記第２柱状部の下端面と前記ガスマニホールドの表面との間と、前記ブッシュ側嵌合部の外周面と前記ガス孔の内周面との間とを連続してシールする、
燃料電池スタックの集電構造。
【請求項５】
複数の燃料電池セルを備える燃料電池スタックを製造する燃料電池スタックの製造方法であって、
筒状の内側電極層と筒状の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配置される筒状の電解質層とを含むセル本体を作製し、該セル本体の筒状の延在方向における両端部にそれぞれ外周面から内周面に亘って連続して覆うように導電性ペーストを塗布し、塗布した前記導電性ペーストを固化させ、前記セル本体の筒状の延在方向における一端部にガラス製のシール材を介して耐熱性セラミック製のノズル部材を取り付けると共に、前記セル本体の筒状の延在方向における他端部にガラス製のシール材を介して絶縁性セラミック製のブッシュ部材を取り付けて焼成することにより、前記燃料電池セルを製造する、
燃料電池スタックの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックの製造方法であって、
前記内側電極層の内周面をマスキングしてから該内側電極層の外周面の全面に亘って前記電解質層を形成する、
燃料電池スタックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの集電構造および燃料電池スタックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池スタックの集電構造としては、上下方向に延びる管状構造体であるセル本体の両端部に接続されたキャップと、隣接する燃料電池セル同士を電気的に接続する集電部材（接続部材）と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。セル本体は、円筒形の内側電極層（燃料極層）と、内側電極層の外周に設けられた円筒形の電解質層と、電解質層の外周に設けられた円筒形の外側電極層（空気極層）とを備え、キャップは、セル本体の上下端部をそれぞれ包囲するように設けられて、燃料電池セルの内側電極層と電気的に接続される。集電部材（接続部材）は、１つの燃料電池セルの内側電極層と電気的に接続されたキャップと、隣接する燃料電池セルの外側電極層の外周面とを接続するように配置される。外側電極層の外表面全体には、銀製の薄膜が形成されており、集電部材は、この薄膜の表面に接触することにより、外側電極層と電気的に接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−４５９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した燃料電池スタックの集電構造では、複数（例えば９０個）の燃料電池セルから接続部材を介して集電する場合、全てのセル本体の両端部に集電用のキャップを取り付ける必要が生じるから、部品点数の増加を招くと共に工程の複雑化を招いてしまう。
【０００５】
本発明の燃料電池スタックの集電構造および燃料電池スタックの製造方法は、部品点数を削減すると共に工程を簡素化することができる燃料電池スタックの集電構造および燃料電池スタックの製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池スタックの集電構造および燃料電池スタックの製造方法は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の燃料電池スタックの集電構造は、
ガスマニホールドからのガスが内部を流れる筒状の内側電極層と、筒状の外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層との間に配置される筒状の電解質層と、を含むセル本体をそれぞれ有する複数の燃料電池セルから接続部材を介して集電する燃料電池スタックの集電構造であって、
前記複数の燃料電池セルは、前記セル本体の筒状の延在方向における少なくとも一方の端部において、外周面から内周面に亘って連続して覆うように導電性ペーストが固化した集電層を有し、
前記接続部材は、互いに隣接する２つの前記燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの前記外側電極層と電気的に接続されると共に、他方の燃料電池セルの前記集電層の外周面に取り付けられて該他方の燃料電池セルの前記内側電極層と電気的に接続される、
ことを要旨とする。
【０００８】
この本発明の燃料電池スタックの集電構造では、燃料電池セルは、セル本体の筒状の延在方向における少なくとも一方の端部に、外周面から内周面に亘って覆うように導電性ペーストが固化した集電層が形成される。接続部材は、互いに隣接する２つの燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの外側電極層と電気的に接続されると共に、他方の燃料電池セルの集電層の外周面に取り付けられて他方の燃料電池セルの内側電極層と電気的に接続される。これにより、セル本体に金属製のキャップを設ける必要がないため、部品点数を削減すると共に工程を簡素化することができる燃料電池スタックの集電構造とすることができる。
【０００９】
こうした本発明の燃料電池スタックの集電構造において、前記電解質層は、前記内側電極層の外周面の全面に亘って形成され、前記外側電極層は、前記電解質層の筒状の延在方向における端部を除いた外周面に形成され、前記集電層は、前記内側電極層の筒状の延在方向における端部の内周面から前記電解質層の筒状の延在方向における端部の外周面に亘って連続して覆うように形成されているものとしてもよい。金属製のキャップにより内側電極層の筒状の延在方向における端部の外周面から集電する場合、内側電極層の外周面の一部（端部）をマスキングしてから当該内側電極層の外周面に電解質層を形成する必要があるが、本発明の燃料電池スタックの集電構造では、集電層が内側電極層の内周面と電気的に接続されているため、内側電極層の外周面の全面に亘って電解質層を形成することが可能である。この結果、内側電極層の端部における外面の一部をマスキングする工程が不要となり、製造工程をより簡素化することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池スタックの集電構造において、前記複数の燃料電池セルは、長手方向が上下方向となるよう立設され、上下方向に貫通する貫通孔を有し、前記セル本体の上端部の内径に嵌合されて前記内側電極層を通過したガスを上方へ排出する耐熱性セラミック製のノズル部材と、前記ノズル部材と前記セル本体との間をシールするガラス製の第１シール部材と、を備え、前記ノズル部材は、前記セル本体の内径に嵌合される嵌合部と、前記セル本体の上端面が下端面側に突き当てられるように前記嵌合部の外径よりも大きい外径を有する第１柱状部と、該第１柱状部の上端面から上方に突出したノズル部と、を有し、前記集電層は、前記セル本体の上端部に有し、前記第１シール部材は、前記第１柱状部の下端面と前記集電層の上端面との間と、前記嵌合部の外周面と前記集電層の内周面との間とを連続してシールするものとしてもよい。こうすれば、セル本体とノズル部材との間のシール性をより良好なものとすることができる。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池スタックの集電構造において、前記複数の燃料電池セルは、長手方向が上下方向となるよう立設され、上下方向に貫通する貫通孔を有し、前記セル本体の下端部の内径と前記ガスマニホールドのガス孔とに嵌合されて該ガスマニホールドから前記内側電極層の内部にガスを導入する絶縁性セラミック製のブッシュ部材と、前記ブッシュ部材と前記セル本体との間をシールするガラス製の第２シール部材と、前記ブッシュ部材と前記ガスマニホールドとの間をシールするガラス製の第３シール部材と、を備え、前記ブッシュ部材は、前記セル本体の内径に嵌合されるセル側嵌合部と、前記セル本体の下端面が上端面側に突き当てられるように前記セル側嵌合部の外径よりも大きい外径を有する第２柱状部と、該第２柱状部の外径よりも小さい外径により該第２柱状部の下端面から下方に突出して前記ガス孔に嵌合されるマニホールド側嵌合部と、を有し、前記集電層は、前記セル本体の下端部に有し、前記第２シール部材は、前記第２柱状部の上端面と前記集電層の下端面との間と、前記セル側嵌合部の外周面と前記集電層の内周面との間とを連続してシールし、前記第３シール部材は、前記第２柱状部の下端面と前記ガスマニホールドの表面との間と、前記ブッシュ側嵌合部の外周面と前記ガス孔の内周面との間とを連続してシールするものとしてもよい。こうすれば、セル本体とブッシュ部材との間のシール性と、ブッシュ部材とガスマニホールドとの間のシール性とをより良好なものとすることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池スタックの製造方法は、
複数の燃料電池セルを備える燃料電池スタックを製造する燃料電池スタックの製造方法であって、
筒状の内側電極層と筒状の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配置される筒状の電解質層とを含むセル本体を作製し、該セル本体の筒状の延在方向における両端部にそれぞれ外周面から内周面に亘って連続して覆うように導電性ペーストを塗布し、塗布した前記導電性ペーストを固化させ、前記セル本体の筒状の延在方向における一端部にガラス製のシール材を介して耐熱性セラミック製のノズル部材を取り付けると共に、前記セル本体の筒状の延在方向における他端部にガラス製のシール材を介して絶縁性セラミック製のブッシュ部材を取り付けて焼成することにより、前記燃料電池セルを製造する、
ことを要旨とする。
【００１３】
この本発明の燃料電池スタックの製造方法では、セル本体の筒状の延在方向における両端部にそれぞれ外周面から内周面に亘って連続して覆うように導電性ペーストを塗布し、塗布した前記導電性ペーストを固化させる。そして、セル本体の一端部，他端部にガラス製のシール材を介して耐熱性セラミック製のノズル部材，ブッシュ部材を取り付けて焼成することにより、燃料電池セルを製造する。これにより、セル本体に金属製のキャップを設ける必要がないため、部品点数を削減すると共に工程を簡素化することができる燃料電池セルとすることができる。
【００１４】
こうした本発明の燃料電池スタックの製造方法において、前記内側電極層の内周面をマスキングしてから該内側電極層の外周面の全面に亘って前記電解質層を形成するものとしてもよい。金属製のキャップにより内側電極層の外周面から集電する場合、内側電極層の外周面の一部（両端部）をマスキングしてから当該内側電極層の外周面に電解質層を形成する必要があるが、本発明の燃料電池スタックの製造方法では、集電層が内側電極層の内周面と電気的に接続されるため、内側電極層の外周面の全面に亘って電解質層を形成することが可能である。この結果、内側電極層の外周面の一部のマスキングする工程が不要となり、製造工程をより簡素化することが可能となる。なお、電解質層の成膜は、ディップなどを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池スタック１の概略構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池セル１０の概略構成図である。
【図３】本実施形態の燃料電池スタック１の製造工程を示す説明図である。
【図４】比較例の燃料電池セル１１０の概略構成図である。
【図５】比較例の燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本実施形態の燃料電池スタック１の概略構成図であり、図２は本実施形態の燃料電池セル１０の概略構成図である。本実施形態の燃料電池スタック１は、図１に示すように、ガスマニホールド５に立設される複数の燃料電池セル１０と、当該複数の燃料電池セル１０が電気的に直列に接続されるように隣り合う２つの燃料電池セル１０を接続する複数の集電接続板３０，３１と、を備える。燃料電池セル１０は、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルとして構成されており、図２に示すように、電解質層１２，アノード層１３（内側電極層）およびカソード層１４（外側電極層）を含むセル本体１１と、カソード集電層１５と、アノード集電層１６と、ブッシュ１７と、ノズル１８と、を備える。
【００１８】
電解質層１２は、長尺の円筒状に形成され、酸素イオン伝導体からなる緻密構造体である。アノード層１３は、電解質層１２の内側に積層され、カソード層１４は、電解質層１２の外側に積層される。すなわち、電解質層１２，アノード層１３およびカソード層１４は、内側からアノード層１３，電解質層１２，カソード層１４の順に積層された筒状（円筒状）の積層体であり、図２に示すように、電解質層１２は、アノード層１３の外面の全面に亘って配置され、カソード層１４は、電解質層１２の筒の延在方向における両端部を除いた外面に配置される。アノード層１３の内側（内部）には、水素を含むアノードガス（燃料ガス）が供給され、カソード層１４の外側には、空気などの酸素を含むカソードガス（酸化剤ガス）が供給される。燃料電池セル１０は、アノード層１３における水素の酸化反応とカソード層１４における酸素の還元反応とにより発電する。
【００１９】
電解質層１２は、例えば、Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニア、Ｇｄ，Ｙ，Ｓｍなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリア、Ｎｉ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレート、などを用いることができる。
【００２０】
アノード層１３は、例えば、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＹ，Ｓｃ，Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＧｄ，Ｙ，Ｓｍなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＳｒ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレートとの混合体、などを用いることができる。
【００２１】
カソード層１４は、例えば、Ｓｒ，Ｃａから選ばれる１種または２種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンコバルタイト、Ｓｒ，Ｆｅから選ばれる１種または２種をドープしたバリウムコバルタイト、銀、銀−パラジウム合金、白金、などを用いることができる。なお、電解質層１２とカソード層１４との間には、例えば、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＹＤＣ（イットリアドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）といった希土類をドープしたセリア混合体により形成された図示しない反応防止層が設けられてもよい。
【００２２】
カソード集電層１５は、ガス透過性に優れた多孔質構造により形成され、カソード層１４に電気的に接続される。カソード集電層１５は、例えば、銀とランタンストロンチウム鉄コバルタイト（（ＬａＳｒ（ＣｏＦｅ）Ｏ３；ＬＳＣＦ）との混合物などの金属とセラミックスとの混合物を含むペーストをカソード層１４の表面に塗布して焼成させることにより形成される。
【００２３】
アノード集電層１６は、導電性に優れた緻密体であり、アノード層１３に電気的に接続される。アノード集電層１６は、銀やパラジウムなどを含む導電性ペーストをセル本体１１の両端部における内周面から外周面に亘って連続するように且つ全周に亘って塗布して焼成させることにより形成される。アノード集電層１６は、図２に示すように、セル本体１１における両端部において、アノード層１３の内周面から電解質層１２の外周面に亘って連続して覆うように、且つ、カソード層１４およびカソード集電層１５から離間するように形成されている。
【００２４】
ブッシュ１７は、絶縁性セラミックにより形成された部材であり、セル本体１１の下端部に取り付けられてセル本体１１とガスマニホールド５との間を絶縁する。ブッシュ１７は、図２に示すように、セル本体１１（電解質層１２）の下端部における外径以上の外径を有する円柱部１７ａと、円柱部１７ａの上端面から上方に突出する管状のセル側嵌合部１７ｂと、円柱部１７ａの下端面から下方に突出する管状のマニホールド側嵌合部１７ｃと、管状のマニホールド側嵌合部１７ｃと管状のセル側嵌合部１７ｂとを貫通する貫通孔１７ｄと、を有する。セル側嵌合部１７ｂは、セル本体１１（アノード層１３）の下端部における内径よりも若干小さい外径を有しており、当該セル本体１１（アノード層１３）の下端部の内径に嵌合される。マニホールド側嵌合部１７ｃは、ガスマニホールド５のガス孔５ａの内径よりも若干小さい外径を有しており、当該ガス孔５ａに嵌合される。
【００２５】
ノズル１８は、耐熱性セラミックにより形成された部材であり、セル本体１１の上端部に取り付けられる。ノズル１８は、図２に示すように、セル本体１１（電解質層１２）の上端部における外径以上の外径を有する円柱部１８ａと、円柱部１８ａの下端面から下方に突出する管状のセル側嵌合部１８ｂと、円柱部１８ａの上端面から上方に突出する管状のノズル部１８ｃと、ノズル１８は、管状のセル側嵌合部１８ｂと管状のノズル部１８ｃとを貫通する貫通孔１８ｄと、を有する。セル側嵌合部１８ｂは、セル本体１１（アノード層１３）の上端部における内径よりも若干小さい外径を有しており、当該セル本体１１（アノード層１３）の上端部の内径に嵌合される。
【００２６】
燃料電池セル１０のブッシュ１７の貫通孔１７ｄには、ガスマニホールド５のガス孔５ａから吐出されるアノードガスが供給される。これにより、燃料電池セル１０の一端側のブッシュ１７の貫通孔１７ｄからアノード層１３の内部にアノードガスを供給すると共に、燃料電池セル１０の他端側のノズル１８の貫通孔１８ｄからアノード層１３を通過したアノードオフガスを吐出することができる。
【００２７】
ブッシュ１７とセル本体１１との間は、ガラスシール部２１によってシールされる。ガラスシール部２１は、例えば、アルミナ−シリカ系結晶化ガラスなどの耐熱性およびシール性に優れた結晶化ガラスが用いられる。このガラスシール部２１は、ブッシュ１７の円柱部１７ａの上端面に沿って径方向に環状に延在して当該円柱部１７ａの上端面とセル本体１１（アノード層１３）の下端面との間をシールし、且つ、環状部分の内周から連続してブッシュ１７のセル側嵌合部１７ｂの外周面に沿って筒状に延在して当該セル側嵌合部１７ｂの外周面とセル本体１１（アノード層１３）の下端部の内周面との間をシールする。
【００２８】
ブッシュ１７とガスマニホールド５との間は、ガラスシール部２２によってシールされる。ガラスシール部２２は、同様の結晶化ガラスが用いられ、ブッシュ１７の円柱部１７ａの下端面に沿って径方向に環状に延在して当該円柱部１７ａの下端面とガスマニホールド５の表面（ブッシュ１７と向かい合う面）との間をシールし、且つ、環状部分の内周から連続してブッシュ１７のマニホールド側嵌合部１７ｃの外周面に沿って筒状に延在して当該マニホールド側嵌合部１７ｃの外周面とガス孔５ａの内周面との間をシールする。
【００２９】
ノズル１８とセル本体１１との間は、ガラスシール部２３によってシールされる。ガラスシール部２３は、同様の結晶化ガラスが用いられ、円柱部１８ａの下端面に沿って径方向に環状に延在して当該円柱部１８ａの下端面とセル本体１１（アノード層１３）の上端面との間をシールし、且つ、環状部分の内径から連続してセル側嵌合部１８ｂの外周面に沿って筒状に延在して当該セル側嵌合部１８ｂの外周面とセル本体１１（アノード層１３）の上端部の内周面との間をシールする。
【００３０】
このように、ブッシュ１７とセル本体１１との間、ブッシュ１７とガスマニホールド５との間およびノズル１８とセル本体１１との間には、それぞれ上述したガラスシール部２１〜２３によってシールされるから、ブッシュ１７の貫通孔１７ｄからアノード層１３の内部にアノードガスが供給される際や、アノード層１３を通過したアノードオフガスがノズル１８から吐出される際のガスのリークが効果的に防止される。
【００３１】
集電接続板３０，３１は、メッキ処理したステンレスなどの導電性金属板をプレス成形することにより形成されており、隣り合う２つの燃料電池セル１０を電気的かつ機械的に接続する。集電接続板３０，３１は、接続対象となる２つの燃料電池セル１０の一方のアノード集電層１６の外周面に導電性接合材３２を介して電気的に接続され、当該２つの燃料電池セルの他方のカソード集電層１５の外周面に導電性接合材３３を介して電気的に接続される。アノード集電層１６は、上述したように、アノード層１３の内周面から電解質層１２の外周面に回り込むように連続して形成されている。このため、集電接続板３０，３１は、アノード集電層１６の外周面と電気的に接続されることにより、アノード層１３と電気的に接続される。
【００３２】
次に、こうして構成された燃料電池スタック１の製造方法について説明する。図３は、本実施形態の燃料電池スタック１の製造工程を示す説明図である。
【００３３】
燃料電池スタック１の製造は、まず、支持体上にディップなどの成膜法によりアノード層１３を形成する（ステップＳ１００）。続いて、支持体／アノード層の内面をマスキングし（ステップＳ１１０）、ディップなどにより支持体／アノード層の外面に全面に亘って電解質層１２を形成する（ステップＳ１２０）。そして、電解質層１２の長手方向（筒の延在方向）における両端部を除いた外面にディップなどによりカソード層１４とカソード集電層１５とを順に形成して支持体／アノード層／電解質層／カソード層／カソード集電層の積層体（セル本体１１）を得る（ステップＳ１３０）。次に、得られた積層体の長手方向における両端部にディップなどにより導電性ペースト（銀ペースト）を塗布してアノード集電層１６を形成して（ステップＳ１４０）、導電性ペーストを乾燥させる（ステップＳ１５０）。
【００３４】
次に、ブッシュ１７のセル本体１１側の取付面（上面）とノズル１８のセル本体１１側の取付面（下面）にそれぞれガラスペーストを塗布してから、ブッシュ１７とノズル１８とをセル本体１１の上端部と下端部とに取り付け（ステップＳ１６０）、これらを乾燥させた後（ステップＳ１７０）、焼成させる（ステップＳ１８０）。これにより、ブッシュ１７とノズル１８とがガラスシール部２１，２３を介してセル本体１１に取り付けられた燃料電池セル１０を得る。燃料電池セル１０が得られると、ブッシュ１７の貫通孔１７ｄにガスを供給してガラスシール部２１，２３からガスがリークしていないかを検査するリーク検査を行なう（ステップＳ１９０）。燃料電池セル１０は、燃料電池スタック１の構成に必要な本数（例えば９０本）分製造される。
【００３５】
リーク検査を行った後、集電接続板３０，３１に導電性ペースト（銀ペースト）を塗布し、集電接続板３０，３１の一端部を燃料電池セル１０のアノード集電層１６の外面に組み付けると共に集電接続板３０，３１の他端部を他の燃料電池セル１０のカソード集電層１５の外面に組み付けて（ステップＳ２００）、導電性ペーストを乾燥させる（ステップＳ２１０）。これにより、複数（例えば９０本）の燃料電池セル１０が集電接続板３０，３１を介して電気的に接続される。
【００３６】
こうして複数の燃料電池セル１０を集電接続板３０，３１により接続すると、燃料電池スタック１を構成する複数の燃料電池セル１０の各ブッシュ１７のガスマニホールド５側の取付面（下面）にガラスペーストを塗布してから、ガスマニホールド５のガス孔５ａに組み付け（ステップＳ２２０）、これらを乾燥させて（ステップＳ２３０）、焼成させる（ステップＳ２４０）。これにより、複数の燃料電池セル１０がガラスシール部２２を介してガスマニホールド５に組み付けられた燃料電池スタック１を得る。燃料電池スタック１が得られると、ガスマニホールド５からブッシュ１７へガスを供給してガラスシール部２２からガスがリークしていないかを検査するリーク検査を行なって（ステップＳ２５０）、燃料電池スタック１が完成する。
【００３７】
ここで、比較例の燃料電池スタックについて説明する。比較例の燃料電池スタックが備える燃料電池セル１１０を図４に示す。比較例の燃料電池セル１１０は、セル本体１１１と、セル本体１１１の長手方向（筒の延在方向）における両端部にそれぞれ取り付けられた金属製のキャップ１１８，１１９と、本実施形態と同様のブッシュ１７と、を備える。セル本体１１１は、内側電極層であるアノード層１３の長手方向における両端部の外面が露出するように、当該両端部の外面をマスキングした上で電解質層１１２が設けられている点を除いて本実施形態のセル本体１１と同様の構成をなしている。キャップ１１８は、金属製（例えば、メッキ処理が施されたステンレス製）の有底筒状体であり、本実施形態のノズル１８に代えてセル本体１１１の上端部に取り付けられる。このキャップ１１８は、中心孔が設けられた環状の底部１１８ｂと、底部１１８ｂの外周側から延出された円筒部１１８ａと、底部１１８ｂの内周側から円筒部１１８ａとは逆方向に延出された管状部１１８ｃと、を有する。キャップ１１８は、その内面がセル本体１１１の上端部の外径に嵌合されることで、セル本体１１１の上端部に取り付けられる。円筒部１１８ａの内周面とセル本体１１１の上端部におけるアノード層１３の外周面（露出部分）との間は、導電性接合材１２６によって電気的に接続される。また、円筒部１１８ａの開口端には、円筒部１１８ａとセル本体１１１との間の隙間を封止するためのガラスシール部１２４が設けられている。キャップ１１９は、同様の金属製の有底筒状体であり、セル本体１１１の下端部にセル本体１１１とブッシュ１７との間に介在するように取り付けられる。このキャップ１１９は、中心孔が設けられた環状の底部１１９ｂと、底部１１９ｂの外周側から延出された円筒部１１９ａと、を有する。キャップ１１９は、その内面がセル本体１１１の下端部の外径に嵌合されることで、セル本体１１１の下端部に取り付けられる。円筒部１１９ａの内周面とセル本体１１１の下端部におけるアノード層１３の外周面（露出部分）との間は、導電性接合材１２７によって電気的に接続される。また、円筒部１１９ａの開口端には、円筒部１１９ａとセル本体１１１との間の隙間を封止するためのガラスシール部１２５が設けられている。また、キャップ１１９には、底部１１９ｂの中心孔にセル側嵌合部１７ｂが嵌合すると共に底部１１９ｂの外面側に円柱部１７ａの上端面が突き当たるようにブッシュ１７が取り付けられる。底部１１９ｂの外面と円柱部１７ａの上端面との間には、ガラスシール部１２１が設けられる。
【００３８】
図５は、こうした比較例の燃料電池セル１１０を備える燃料電池スタックの製造工程を示す説明図である。なお、図５の製造工程のうち図３の製造工程と同一の工程については同一のステップ番号を付した。比較例の燃料電池セル１１０を備える燃料電池スタックの製造方法は、まず、支持体上にアノード層１３を形成し（ステップＳ１００）、支持体／アノード層の内面と外面の一部とをマスキングして（ステップＳ１１０Ｂ）、ディップなどの成膜法により支持体／アノード層の長手方向における両端部を除いた外面に電解質層１１２を形成する（ステップＳ１２０Ｂ）。そして、電解質層１１２の長手方向における両端部を除いた外面にディップなどによりカソード層１４とカソード集電層１５とを順に形成して支持体／アノード層／電解質層／カソード層／カソード集電層の積層体を得る（ステップＳ１３０）。次に、得られた積層体の長手方向における両端部の外面にディップなどにより導電性ペースト（銀ペースト）を塗布し、両端部に金属製のキャップ１１８，１１９を取り付ける（ステップＳ１４０Ｂ）。そして、導電性ペーストを乾燥させた後（ステップＳ１５０）、キャップ１１８ｂ，１１９の開口端（口元）にガラスペーストを塗布し（ステップＳ１６０Ｂ）、これを乾燥させて（ステップＳ１７０）、焼成させる（ステップＳ１８０）。これにより、セル本体１１１とキャップ１１８，１１９との間の隙間にガラスシール部１２４，１２５が形成される。そして、キャップ１１９の中心孔にガスを供給してガラスシール部１２４，１２５からガスがリークしていないかを検査するリーク検査を行なう（ステップＳ１９０）。ステップＳ１００〜Ｓ１９０の工程は、燃料電池スタックの構成に必要な燃料電池セル１１０の本数分（例えば９０本）実行される。
【００３９】
次に、集電接続板３０，３１に導電性ペースト（銀ペースト）を塗布し、集電接続板３０，３１の一端部を燃料電池セル１１０のキャップ１１８，１１９の外周面に組み付けると共に集電接続板３０，３１の他端部を他の燃料電池セル１０のカソード集電層１５の外周面に組み付けて（ステップＳ２００）、導電性ペーストを乾燥させる（ステップＳ２１０）。これにより、複数の燃料電池セル１１０が集電接続板３０，３１を介して電気的に直列に接続される。
【００４０】
そして、ブッシュ１７のガスマニホールド５側の取付面（下面）にガラスペーストを塗布してから、ブッシュ１７をガスマニホールド５のガス孔５ａに取り付け（ステップＳ２２０）、ブッシュ１７のセル本体１１１側の取付面（上面）にガラスペーストを塗布して、集電接続板２０，３１を介して互いに電気的に接続された複数の燃料電池セル１１０と、ガス孔５ａにブッシュ１７が取り付けられたガスマニホールド５とを組み合わせる（ステップＳ２２０Ｂ）。そして、ガラスペーストを乾燥させて（ステップＳ２３０）、焼成させる（ステップＳ２４０）。これにより、複数の燃料電池セル１１０がガラスシール部２２を介してガスマニホールド５に組み付けられた比較例の燃料電池スタックを得る。燃料電池スタックが得られると、ガスマニホールド５からブッシュ１７へガスを供給してガラスシール部２２からガスがリークしていないかを検査するリーク検査を行なって（ステップＳ２５０）、比較例の燃料電池スタックが完成する。
【００４１】
このように、比較例の燃料電池スタックが備える燃料電池セル１１０は、集電接続板３０，３１の取り付けに、アノード集電層１６に代えて、金属製のキャップ１１８，１１９が用いられる。キャップ１１８，１１９を用いる場合では、上述したように、キャップ１１８，１１９とセル本体１１１との間の隙間を封止するためにガラスシール部１２４，１２５が必要となる。また、セル本体１１１の支持体は、一般に熱膨張係数が大きいため、ガラスシール部１２４，１２５にクラックが発生し易く、ガスのリークにより出力低下の虞がある。また、アノード層１３とキャップ１１８，１１９との電気的な接続を確保するために、アノード層１３の長手方向における両端部の外面に、電解質層１２のない領域を設ける必要があり、電解質層１２の成膜工程の前に、支持体／アノード層の外面の一部をマスキングする工程が必要である（ステップ１１０Ｂ）。さらに、燃料電池セル１１０の発電に伴ってセル本体１１１の内部を通過したオフガスは、キャップ１１９から吐出され、燃焼されるが、オフガスの燃焼（アフターバーニング）による熱でキャップ１１９のメッキ部分（銀）が蒸発してキャップ１１９の薄肉化を招くと共に銀が再凝固した先で電気的な短絡を生じさせ、燃料電池セル１１０の出力低下を招く虞がある。また、アフターバーニングに伴いキャップ１１９の材料（ＳＵＳ）が酸素と反応して酸化物スケールが成長（厚肉化）することによって、電気抵抗が増大し、これによっても燃料電池セル１０の出力低下を招く虞がある。本実施形態の燃料電池スタック１が備える燃料電池セル１０は、キャップ１１８，１１９をアノード集電層１６と耐熱性セラミック製のノズル１８に置き換えるため、上述した不都合を回避することができる。
【００４２】
以上説明したように本実施形態の燃料電池スタックの集電構造では、セル本体１１の長手方向における両端部に外周面から内周面に亘って連続して覆うようにアノード集電層１６を形成する。そして、隣接する燃料電池セル１０のうち一方の燃料電池セル１０のアノード集電層１６の外面と他方の燃料電池セル１０のカソード集電層１５の外面とに集電接続板３０，３１を取り付ける。これにより、セル本体１１に金属製のキャップを設ける必要がないため、部品点数を削減すると共に工程を簡素化することができる燃料電池スタックの集電構造とすることができる。
【００４３】
また、本実施形態の燃料電池スタックの集電構造では、電解質層１２は、アノード層１３（内側電極層）の外周面の全面に亘って形成され、カソード層１４は、電解質層１２の長手方向における両端部を除いた外周面に形成され、アノード集電層１６は、カソード層１４およびカソード集電層１５と接触しない範囲で、アノード層１３の端部における内周面から電解質層１２の端部における外周面に亘って連続して覆うように形成される。金属製のキャップ１１８，１１９によりアノード層１３の外周面から集電する場合、アノード層１３の外周面の一部（両端部）をマスキングしてから当該アノード層１３の外周面に電解質層１２を形成する必要があるが、本実施形態の燃料電池スタックの集電構造では、アノード集電層１６がアノード層１３の内周面と電気的に接続されているため、アノード層１３の外周面の全面に亘って電解質層１２を形成することが可能である。この結果、アノード層１３の端部における外面の一部をマスキングする工程が不要となり、製造工程をより簡素化することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態の燃料電池スタックの集電構造では、上下方向に貫通すると共にセル本体１１の上端部の内径に嵌合されてアノード層１３を通過したオフガスを上方へ排出するセラミック製のノズル１８と、ノズル１８とセル本体１１との間をシールするガラスシール２３と、を備える。ガラスシール部２３は、ノズル１８の円柱部１８ａの下端面とアノード集電層１６の上端面との間と、ノズル１８のセル側嵌合部１８ｂの外周面とアノード集電層１６の内周面との間とを連続してシールする。これにより、セル本体１１とノズル１８との間のシール性をより良好なものとすることができる。
【００４５】
さらに、本実施形態の燃料電池スタックの集電構造において、上下方向に貫通すると共にセル本体１１の下端部の内径とガスマニホールド５のガス孔５ａとに嵌合されてガスマニホールド５からアノード層１３の内部にガスを導入するセラミック製のブッシュ１７と、ブッシュ１７とセル本体１１との間をシールするガラスシール部２１と、ブッシュ１７とガスマニホールド５との間をシールするガラスシール部２２と、を備える。ガラスシール部２１は、ブッシュ１７の円柱部１７ａの上端面とアノード集電層１６の下端面との間と、ブッシュ１７のセル側嵌合部１７ｂの外周面とアノード集電層１６の内周面との間とを連続してシールする。ガラスシール部２２は、ブッシュ１７の円柱部１７ａの下端面とガスマニホールド５の表面との間と、ブッシュ１７のマニホールド側嵌合部１７ｃの外周面とガス孔５ａの内周面との間とを連続してシールする。これにより、セル本体１１とブッシュ１７との間のシール性と、ブッシュ１７とガスマニホールド５との間のシール性とをより良好なものとすることができる。
【００４６】
実施形態の燃料電池スタック１では、アノード集電層１６は、セル本体１１の上下端部の両側に設けられるものとしたが、セル本体１１の上下端部の片側のみに設けられるものとしてもよい。この場合、アノード集電層が設けられなかった方のセル本体の端部には、金属製のキャップが取り付けられてもよい。
【００４７】
実施形態の燃料電池スタック１では、燃料電池セル１０を、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルとして構成した。しかし、集電接続板３０，３１の形状を変更することで、楕円筒状や角筒状などの円筒型の以外の筒状の燃料電池セルとすることもできる。
【００４８】
実施形態の燃料電池スタック１では、燃料電池セル１０は、アノード層１３が電解質層１２の内側に配置されると共にカソード層１４が電解質層１２の外側に配置されるものとしたが、アノード層が電解質層の外側に配置されると共にカソード層が電解質層の内側に配置されてもよい。また、燃料電池セル１０は、固体酸化物形燃料電池セルとして構成されたが、固体酸化物形以外の形式の燃料電池セルであってもよい。
【００４９】
上述した実施形態では、本発明を燃料電池スタックの集電構造の形態に適用して説明したが、燃料電池スタックの製造方法の形態としてもよい。
【００５０】
ここで、本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。本実施形態では、ガスマニホールド５が「ガスマニホールド」に相当し、アノード層１３が「内側電極層」に相当し、カソード層１４が「外側電極層」に相当し、電解質層１２が「電解質層」に相当し、セル本体１１が「セル本体」に相当し、アノード集電層１６が「集電層」に相当し、集電接続板３０，３１が「接続部材」に相当する。また、ノズル１８が「ノズル部材」に相当し、セル側嵌合部１８ｂが「嵌合部」に相当し、円柱部１８ａが「第１柱状部」に相当し、ノズル部１８ｃが「ノズル部」に相当し、ガラスシール部２３が「第１シール部材」に相当する。また、ブッシュ１７が「ブッシュ部材」に相当し、セル側嵌合部１７ｂが「セル側嵌合部」に相当し、マニホールド側嵌合部１７ｃが「マニホールド側嵌合部」に相当し、ガラスシール部２１が「第２シール部材」に相当し、ガラスシール部２２が「第３シール部材」に相当する。なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
【００５１】
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、燃料電池スタックの製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１  燃料電池スタック、１０，１１０  燃料電池セル、１１，１１１  セル本体、１２，１１２  電解質層、１３  アノード層、１４  カソード層、１５  カソード集電層、１６  アノード集電層、１７  ブッシュ、１７ａ  柱状部、１７ｂ  セル側嵌合部、１７ｃ  マニホールド側嵌合部、１７ｄ  貫通孔、１８  ノズル、１８ａ  柱状部、１８ｂ  セル側嵌合部、１８ｂ  ノズル部、１８ｄ  貫通孔、２１〜２３，１２１，１２４，１２５  ガラスシール部、３０，３１  集電接続部材、３２，３３  導電性接合材、１１８，１１９  キャップ、１１８ａ，１１９ａ  円筒部、１１８ｂ，１１９ｂ  底部、１１８ｃ  管状部、１２６，１２７  導電性接合材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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