(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のガスヘッダを形成する隔壁に挿通される集電棒の周辺をシールする燃料電池用集電棒のシール構造であって、
前記隔壁の板厚方向に貫通した貫通穴に嵌め合わされて接合された集電取出フランジの内周面と、前記集電棒の半径方向外側で、かつ、前記集電取出フランジの半径方向内側に位置する絶縁管の外周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネによりシールされていることを特徴とする燃料電池用集電棒のシール構造。
【請求項２】
前記燃料ガスヘッダの外に露出する前記集電棒の先端に設けられたフランジ部のガスヘッダ側面と、前記絶縁管の先端面との間には、前記集電棒とは別の部材からなる第２の集電棒が挟み込まれており、
前記絶縁管の先端部における外周面と、この外周面と対向する前記第２の集電棒の内周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネによりシールされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用集電棒のシール構造。
【請求項３】
前記絶縁管と前記弾性バネとの間に、スリーブが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用集電棒のシール構造。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池用集電棒のシール構造を具備していることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、例えば、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）に用いられる集電棒（集電極：集電管）のシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用集電棒のシール構造としては、例えば、特許文献１の図３に開示されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３９８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また近年では、シール性の向上を図るため、図４に示すような燃料電池用集電棒のシール構造５１が提案されている。
図４に示す燃料電池用集電棒のシール構造５１は、燃料ガスヘッダ（例えば、燃料排出室）ＧＨを形成する隔壁５２に挿通される集電棒５３の半径方向外側に、（第１の集電棒用）絶縁管５４が配置されており、これら集電棒５３および絶縁管５４は、隔壁５２の板厚方向に貫通した貫通穴５５に嵌め合わされて（嵌合されて）溶接接合された金属製のフランジ５６の半径方向内側に挿通されている。
【０００５】
フランジ５６は、その外周面が貫通穴５５の内周面全体と接する（密着する）ようにして隔壁５２に溶接により接合され、フランジ５６と隔壁５２との継ぎ目は、溶接部Ｂ１によりシールされている。
燃料ガスヘッダＧＨの外に位置する絶縁管５４の半径方向外側には、フランジ５６の側から（第１の）コバール管５７と、（第２の集電棒用）絶縁管５８と、（第２の）コバール管５９とが連続するようにして配置され、絶縁管５４の先端（一端）には、集電棒５３とは別の部材からなる集電棒６０が連続するようにして配置されている。
【０００６】
フランジ５６とコバール管５７との継ぎ目は、フランジ５６から軸方向（図４において上下方向）に沿って突出し、コバール管５７の外周面の一部の半径方向外側に重なるオーバーラップ部５６ａにより覆われ（塞がれ）、コバール管５７と絶縁管５８との継ぎ目は、コバール管５７から軸方向に沿って突出し、絶縁管５８の外周面の一部の半径方向外側に重なる（第１の）オーバーラップ部５７ａにより覆われ（塞がれ）ている。
【０００７】
また、絶縁管５８とコバール管５９との継ぎ目は、コバール管５９から軸方向に沿って突出し、絶縁管５８の外周面の一部の半径方向外側に重なる（第２の）オーバーラップ部５９ａにより覆われ（塞がれ）、コバール管５９と集電棒６０との継ぎ目は、コバール管５９から軸方向に沿って突出し、集電棒６０の外周面の一部の半径方向外側に重なるオーバーラップ部５９ｂにより覆われ（塞がれ）ている。
【０００８】
そして、フランジ５６とコバール管５７との継ぎ目のうち、燃料ガスヘッダＧＨの外に露出する部分６１は、金ロウ付けにより接合（シール）され、コバール管５７と絶縁管５８との継ぎ目のうち、燃料ガスヘッダＧＨの外に露出する部分６２は、金ロウ付けにより接合（シール）されている。
【０００９】
また、絶縁管５８とコバール管５９との継ぎ目のうち、燃料ガスヘッダＧＨの外に露出する部分６３は、金ロウ付けにより接合（シール）され、コバール管５９と集電棒６０との継ぎ目のうち、燃料ガスヘッダＧＨの外に露出する部分６４は、金ロウ付けにより接合（シール）されている。
【００１０】
一方、集電棒６０の先端面（一端面）と集電棒５３の外周面とは、溶接により接合され、集電棒６０の先端における内周面と、この内周面に対向する集電棒５３の外周面との間は、溶接部Ｂ２によりシールされている。
【００１１】
このように、燃料電池用集電棒のシール構造５１では、シール性の向上を図るために、部材と部材との継ぎ目に耐熱温度の低い金ロウが用いられており、耐熱性があまりよくないといった問題点があった。
また、燃料電池用集電棒のシール構造５１では、部材と部材との継ぎ目のすべてが溶接または金ロウ付けによりシールされることになり、熱延びが許容されないため、ひび割れやクラック等の破損が生ずる原因となっていた。
さらには、組立時または分解時における作業性があまりよくないといった問題点もあった。
【００１２】
燃料電池の高集積化・緻密化が図られていくと、元々は課題とは認識されていなかった集電棒シール部の耐熱性および作業性について、将来的には非常に重要な問題になるであろうことを発明者は予測するに至った。
本発明は、このような認識に基づいてなされたものであって、シール性を低下させることなく、耐熱性および作業性を向上させることができる燃料電池用集電棒のシール構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る燃料電池用集電棒のシール構造は、燃料電池の燃料ガスヘッダを形成する隔壁に挿通される集電棒の周辺をシールする燃料電池用集電棒のシール構造であって、前記隔壁の板厚方向に貫通した貫通穴に嵌め合わされて接合された集電取出フランジの内周面と、前記集電棒の半径方向外側で、かつ、前記集電取出フランジの半径方向内側に位置する絶縁管の外周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネによりシールされている。
【００１４】
本発明に係る燃料電池用集電棒のシール構造によれば、集電取出フランジの内周面と、集電棒の半径方向外側で、かつ、集電取出フランジの半径方向内側に位置する絶縁管の外周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネによりシールされることになる。
これにより、従来必要とされた高価な金ロウ付けが不要となり、その結果、耐熱性および作業性を向上させることができ、製造コストを低減させることができる。
【００１５】
上記燃料電池用集電棒のシール構造において、前記燃料ガスヘッダの外に露出する前記集電棒の先端に設けられたフランジ部の下面と、前記絶縁管の先端面との間には、前記集電棒とは別の部材からなる第２の集電棒が挟み込まれており、前記絶縁管の先端部における外周面と、この外周面と対向する前記第２の集電棒の内周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネによりシールされているとさらに好適である。
【００１６】
このような燃料電池用集電棒のシール構造によれば、絶縁管の先端部における外周面と、この外周面と対向する第２の集電棒の内周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネによりシールされることになる。
これにより、従来必要とされた高価な金ロウ付けが不要となり、その結果、耐熱性および作業性を向上させることができ、製造コストを低減させることができる。
【００１７】
上記燃料電池用集電棒のシール構造において、前記絶縁管と前記弾性バネとの間に、スリーブが設けられているとさらに好適である。
【００１８】
このような燃料電池用集電棒のシール構造によれば、絶縁管と弾性バネとの間に、表面粗度の低い（細かい）スリーブが配置され、このスリーブの外周面に弾性バネのタッチ面（シール面）が接触（密着）することになる。
これにより、絶縁管がセラミックス製（例えば、アルミナ製）とされ、絶縁管の外周面の表面粗度が高い（粗い）場合でも、シール性を低下させることなく、シール性を向上させることができる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池は、上記いずれかの燃料電池用集電棒のシール構造を具備している。
このような燃料電池によれば、耐熱性および作業性が向上した燃料電池用集電棒のシール構造を具備しているので、燃料電池全体の耐熱性を向上させることができ、燃料電池全体の組立時または分解時における作業性を向上させることができる。
また、従来必要とされた高価な金ロウ付けが、不要または大幅に低減することになるので、製造コストを低減させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、シール性を低下させることなく、耐熱性および作業性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造を、横縞円筒型のＳＯＦＣに適用した場合の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の要部を拡大してより詳細に示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造の断面図であって、図２と同様の図である。
【図４】従来の燃料電池用集電棒のシール構造の断面図であって、図２と同様の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造について、図１および図２を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造を、横縞円筒型のＳＯＦＣに適用した場合の構成を模式的に示す図、図２は図１の要部を拡大してより詳細に示す断面図である。
図１に示すように、燃料電池１は、筐体２と、複数のセルチューブ（基体管）３と、上側支持部４と、下側支持部５と、第１排出側集電板（集電板）６と、第２排出側集電板（集電板）７と、供給側集電板（集電板）８と、を備えている。
【００２３】
筐体２は、内部に複数のセルチューブ３、第１排出側集電板６、第２排出側集電板７、供給側集電板８等を収納するものであり、筐体２には、燃料供給室２１と、発電室２２と、燃料排出室２３と、を備えている。
【００２４】
燃料供給室２１は、筐体２と下側支持部５とにより囲まれた空間であって、外部から発電に用いられる燃料ガスが流入する空間である。また、燃料供給室２１の内部には、供給側集電板８が配置されているとともに、セルチューブ３の燃料供給室２１側の開口端が配置されている。
【００２５】
発電室２２は、筐体２と上側支持部４と下側支持部５とにより囲まれた空間であって、外部から発電に用いられる空気が流入し流出する空間である。また、発電室２２の内部には、セルチューブ３のうち発電セルが設けられている領域が配置されている。
【００２６】
燃料排出室２３は、筐体２と上側支持部４とにより囲まれた空間であって、発電に用いられた後の燃料ガスが流入する空間である。また、燃料排出室２３の内部には、第１排出側集電板６および第２排出側集電板７が配置されているとともに、セルチューブ３の燃料排出室２３の開口端が配置されている。さらに、燃料排出室２３の天井面（上面：頂面）を形成する天板（上板：頂板）２３ａには、その下端が第１排出側集電板６に接続される（−）集電棒（集電極：集電管）９と、その下端が第２排出側集電板７に接続される（＋）集電棒（集電極：集電管）１０とが挿通されるようになっている。
【００２７】
上側支持部４は、下側支持部５とともにセルチューブ３を支持するものであるとともに、発電室２２と燃料排出室２３との間に配置されたものである。言い換えると、上側支持部４は、発電室２２と燃料排出室２３とを区画するものでもある。
【００２８】
下側支持部５は、上側支持部４とともにセルチューブ３を支持するものであるとともに、発電室２２と燃料供給室２１との間に配置されたものである。言い換えると、下側支持部５は、発電室２２と燃料供給室２１とを区画するものでもある。
【００２９】
セルチューブ３は、燃料ガスおよび空気（酸素）の供給を受けて発電を行うものであり、円筒状の基体管の円周面上に、セルチューブ３の長手方向に沿って発電セルが直列接続して配置されたものである。また、セルチューブ３は、筐体２の内部に、一方の開口端が燃料排出室２３に、他方の開口端が燃料供給室２１に開口するように配置されている。
【００３０】
複数のセルチューブ３は、概略同じ長さに形成され、平行に並んで配置されている。また、複数のセルチューブ３における燃料排出室２３側の開口端は、概略同一の平面上に位置し、燃料供給室２１側の開口端も概略同一の平面上に位置している。
その一方で、複数のセルチューブ３は、第１排出側集電板６と供給側集電板８とに電気的に接続される第１セル群３Ａと、第２排出側集電板７と供給側集電板８とに電気的に接続される第２セル群３Ｂとに分けられている。
【００３１】
第１排出側集電板６は、筐体２の燃料排出室２３に配置された金属板で、第１セル群３Ａのセルチューブ３の端部と電気的に接続されるとともに固定されるものであって、供給側集電板８とともに第１セル群３Ａのセルチューブ３を並列接続するものである。また、第１排出側集電板６は、第２排出側集電板７と概略同一平面上に配置されているとともに、所定間隔をあけて並んで配置されている。
このように、第１排出側集電板６と第２排出側集電板７とが間隔をあけて配置されているため、両者は電気的に隔離されている。
【００３２】
第２排出側集電板７は、筐体２の燃料供給室２１に配置された金属板で、第２セル群３Ｂのセルチューブ３の端部と電気的に接続されるとともに固定されるものであって、供給側集電板８とともに第２セル群３Ｂのセルチューブ３を並列接続するものである。
【００３３】
供給側集電板８は、筐体２の燃料供給室２１に配置された金属板であって、第１セル群３Ａおよび第２セル群３Ｂのセルチューブ３の端部と電気的に接続されるとともに固定されるものである。また、供給側集電板８は、第１排出側集電板６とともに第１セル群３Ａのセルチューブ３を並列接続し、第２排出側集電板７とともに第２セル群３Ｂのセルチューブ３を並列接続し、かつ、第１セル群３Ａのセルチューブ３と第２セル群３Ｂのセルチューブ３とを直列接続するものである。
【００３４】
さて、図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造１１は、天板２３ａに挿通される（第１の）集電棒１０の半径方向外側に、（集電棒用）絶縁管３１が配置されており、これら集電棒１０および絶縁管３１は、天板（隔壁）２３ａの板厚方向に貫通した貫通穴３２に嵌め合わされて（嵌合されて）溶接接合された集電取出フランジ３３の半径方向内側に挿通されている。
【００３５】
集電取出フランジ３３は、その基端部における外周面が、天板２３ａの板厚方向に貫通した貫通穴３２の内周面全体と接する（密着する）軸部３３ａと、この軸部３３ａの基端に連結（接続）されて、軸部３３ａが延びる方向と直交する方向で、かつ、半径方向外側に向かうとともに周方向に沿って延びて、その下面全体が貫通穴３２近傍に位置する天板２３ａの天面（上面：頂面）と接する（密着する）フランジ部３３ｂとを備えている。また、集電取出フランジ３３の半径方向内側に挿通された絶縁管３１の外周面と、集電取出フランジ３３の軸部３３ａの内周面との間には、周方向に沿って一定（所定）の隙間が形成され、集電取出フランジ３３の半径方向内側に挿通された絶縁管３１は、塑性加工された金属（ハステロイＸ、ＳＵＳ３１６等）からなるフジツボ型の弾性バネ３４を介して集電取出フランジ３３に支持されている。
なお、フランジ部３３ｂと天板２３ａとは、溶接により接合されている。
【００３６】
弾性バネ３４は、その内周面が絶縁管３１の外周面と周方向に沿って一定（所定）の幅で接する（密着する）軸部３４ａと、軸部３４ａが延びる方向と直交する方向で、かつ、周方向に沿って延びるフランジ部３４ｂと、軸部３４ａの一端（基端）とフランジ部３４ｂの内周端とを、フランジ部３４ｂに向かって末広がりとなる滑らかな曲面で連結（接続）する連結部（接続部）３４ｃとを備えている。また、弾性バネ３４は、その外周側（半径方向外側）の周縁部における下面において、フランジ部３４ｂの上面全体と接する（密着する）座金３５と、フランジ部３３ｂの内周側（半径方向内側）の周縁部における上面との間にフランジ部３４ｂが挟み込まれ、絶縁管３１の外周面と軸部３３ａの内周面との間に形成された隙間に軸部３４ａが位置するようにして配置されている。
なお、座金３５とフランジ部３４ｂとは溶接により接合され、フランジ部３４ｂとフランジ部３３ｂとは溶接により接合されている。
【００３７】
一方、燃料排出室２３の外に位置する（露出する）集電棒１０の上端（先端）に設けられたフランジ部１０ａの下面と、絶縁管３１の上端面（先端面）との間には、集電棒１０とは別の部材からなる（第２の）集電棒３６が挟み込まれている。
集電棒３６は、その内周面全体がフランジ部１０ａよりも下方に位置する集電棒１０の上端部における外周面と接する（密着する）円板部３６ａと、この円板部３６ａの外周側（半径方向外側）の周縁部から軸方向に沿って下方に向かって延びる周壁部３６ｂとを備えている。また、フランジ部１０ａの下面と、絶縁管３１の上端面との間に挟み込まれた集電棒３６の周壁部３６ｂの内周面と、その半径方向内側に位置する絶縁管３１の外周面との間には、周方向に沿って一定（所定）の隙間が形成されるようになっている。
なお、フランジ部１０ａと円板部３６ａとは溶接により接合されている。
【００３８】
周壁部３６ｂの半径方向内側に位置する絶縁管３１の上端部は、弾性バネ３４を介して集電棒３６に支持されている。弾性バネ３４は、その外周側（半径方向外側）の周縁部における上面において、フランジ部３４ｂの下面全体と接する（密着する）座金３５と、周壁部３６ｂの下端面との間にフランジ部３４ｂが挟み込まれ、絶縁管３１の外周面と周壁部３６ｂの内周面との間に形成された隙間に軸部３４ａが位置するようにして配置されている。
なお、座金３５とフランジ部３４ｂとは溶接により接合され、フランジ部３４ｂと周壁部３６ｂとは溶接により接合されている。
【００３９】
図２中の符号３７は、ボルト・ナットを介してその下端面が集電棒３６の上端面と接する（密着する）ようにして結合（連結）された、集電棒１０，３６とは別の部材からなる（第３の）集電棒を示し、図２中の符号３８は、ボルト・ナットを介して集電棒３７の上端面に接続された集電線を示している。
なお、本実施形態では、図２を用いて天板２３ａを貫通する集電棒１０についての燃料電池用集電棒のシール構造１１を説明したが、天板２３ａを貫通する集電棒９についての燃料電池用集電棒のシール構造は、上述した燃料電池用集電棒のシール構造１１と同じであるので、ここではその図示および説明を省略する。
【００４０】
本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造１１によれば、集電取出フランジ３３の内周面と、集電棒１０の半径方向外側で、かつ、集電取出フランジ３３の半径方向内側に位置する絶縁管３１の外周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネ３４によりシールされ、絶縁管３１の先端部における外周面と、この外周面と対向する集電棒３６の内周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネ３４によりシールされることになる。
これにより、従来必要とされた高価な金ロウ付けが不要となり、その結果、耐熱性および作業性を向上させることができ、製造コストを低減させることができる。
【００４１】
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造について、図３を参照しながら説明する。
図３は本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造の断面図であって、図２と同様の図である。
【００４２】
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造４１は、絶縁管３１と弾性バネ３４との間に、スリーブ４２がそれぞれ設けられているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した第１実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。
【００４３】
スリーブ４２は、絶縁管３１の外周面と接する（密着する）内周面と、軸部３４ａの内周面と接する（密着する）外周面とを有する金属（例えば、ステンレス）からなる筒状の部材である。また、スリーブ４２は、自身が加熱されて熱膨張している間に絶縁管３１に嵌合させられることにより、あるいは絶縁管３１が冷却されて熱収縮している間に絶縁管３１に嵌合させられることにより、もしくは絶縁管３１の外周面に塗布された接着剤により、絶縁管３１の外周面に固定（固着）される。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造４１によれば、絶縁管３１と弾性バネ３４との間に、表面粗度の低い（細かい）スリーブ４２が配置され、このスリーブ４２の外周面に弾性バネの軸部３４ａの内周面（シール面）が接触（密着）することになる。
これにより、絶縁管３１がセラミックス製（例えば、アルミナ製）とされ、絶縁管３１の外周面の表面粗度が高い（粗い）場合でも、シール性を低下させることなく、シール性を向上させることができる。
【００４５】
また、本実施形態に係る燃料電池用集電棒のシール構造４１によれば、集電取出フランジ３３の内周面と、スリーブ４２の外周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネ３４によりシールされ、絶縁管３１の先端部における外周面と、スリーブ４２の外周面との間に形成された隙間が、フジツボ型の弾性バネ３４によりシールされることになる。
これにより、従来必要とされた高価な金ロウ付けが不要となり、その結果、耐熱性および作業性を向上させることができ、製造コストを低減させることができる。
【００４６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形・変更実施可能である。
また、上述の説明における上および下という表現は各構成の位置関係を分かり易く説明するための便宜的表現にすぎず、適宜選択可能であることは当然理解される。
【符号の説明】
【００４７】
１    燃料電池
１０    集電棒
１０ａ  フランジ部
１１    燃料電池用集電棒のシール構造
２３    燃料排出室（燃料ガスヘッダ）
２３ａ  天板（隔壁）
３１    絶縁管
３２    貫通穴
３３    集電取出フランジ
３４    弾性バネ
３６    （第２の）集電棒
４１    燃料電池用集電棒のシール構造
４２    スリーブ
【図１】
0005461364.tif 000002
【図２】
0005461364.tif 000003
【図３】
0005461364.tif 000004
【図４】
0005461364.tif 000005