(57)【要約】 【課題】単セルの直列接続及び並列接続を選択可能であり、すなわち、高電圧仕様及び大電流仕様のいずれの仕様にも対応可能であり、小型で且つ高出力な燃料電池スタック構造体を提供する。【解決手段】単セル１０を保持していると共に中心部分に燃料ガスの導入孔２ａを有する二枚のセル板１の各周縁部同士を接合して形成したセルユニットＵを集電体８を介して複数積層して成り、セルユニットＵの両セル板１，１間に形成した燃料ガス流路４を挟んで各々の単セル１０の燃料極１１，１１同士を対向させると共に、互いに対向する単セル１０の各燃料極１１，１１とセルユニットＵのセル板１とを電気的に接続した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有する二枚のセル板の各周縁部同士を接合して形成したセルユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体であって、
セルユニットの両セル板間に形成した一方のガスの流路空間を挟んで各々の単セルの同種電極同士を対向させると共に、これらの互いに対向する単セルの各内向き電極とセルユニットのセル板とを電気的に接続したことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
【請求項２】
セルユニットの中央部分に、セルユニットの積層方向のガス流路を具備して両セル板間の流路空間に一方のガスを供給する導電性を有する中央流路部品を配置し、互いに対向する単セルの各内向き電極と中央流路部品とを電気的に接続した請求項１に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項３】
セルユニットのセル板の単セル配置部分を多孔質支持部とし、この多孔質支持部に単セルを形成した請求項１又は２に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項４】
セルユニットのセル板と、中央流路部品と、セルユニット間に配置する集電体とにより、複数積層したセルユニットを電気的に接続した請求項２又は３に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項５】
複数積層したセルユニットの電気的な接続をセルユニットの周縁部において行う請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項６】
隣接するセルユニット同士を電気的に直列接続した請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項７】
隣接するセルユニット同士を電気的に並列接続すると共に、これらの電気的に並列接続した複数のセルユニットを電気的に直列接続した請求項１〜５のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池セルを積層して成る燃料電池スタック構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したような燃料電池スタック構造体としては、例えば、同種の電極同士が対向するようにして平板型単セルを積層し、同種電極間に形成された空間をガス流路とした燃料電池スタック構造体があり、ガス流路に集電体を配置することで、すべての単セルを電気的に並列接続したものや、互いに絶縁関係にある単セル同士を外部導線によって電気的に接続したものがある。
【０００３】
また、上記した燃料電池スタック構造体のほかに、外部側の面の全てを空気極とすると共に内部側の面の全てを燃料極とした中空ディスク型セルを積層し、積層部分の各々において異種電極同士が電気的に接触するようにした燃料電池スタック構造体がある。
【特許文献１】特願平７−２１４２１６号
【特許文献２】特開２００２−５０３９０号
【特許文献３】特開２００２−８６８１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記した燃料電池スタック構造体において、同種電極間に形成されたガス流路に集電体を配置した構成の燃料電池スタック構造体では、平板型単セルが全て並列で接続されることから、高電圧を得ることができず、一方、同種電極間に形成された空間をガス流路として、互いに絶縁関係にある単セル同士を外部導線によって電気的に接続した構成の燃料電池スタック構造体では、直列接続及び並列接続のいずれかを任意に選択することができるものの、外部導線で電気的接続を実施する都合上、導線の線径を大きくして大電流に対応するように成すと、積層間隔を狭めて高密度にパッキングした場合において、導線を単セルに接触させることが困難になるという問題があった。
【０００５】
また、中空ディスク型セルを積層して、各セル間の接続部分に電極を配置する燃料電池スタック構造体において、電極を薄膜状にした場合には電気抵抗が大きくなってしまい（直列接続の場合には特に電気抵抗が大きくなってしまい）、これを回避するべく電極を厚くすると、全体の小型化が実現困難となってしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００６】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、単セルの直列接続及び並列接続を選択可能であり、すなわち、高電圧仕様及び大電流仕様のいずれの仕様にも対応可能であり、小型で且つ高出力な燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有する二枚のセル板の各周縁部同士を接合して形成したセルユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体であって、セルユニットの両セル板間に形成した一方のガスの流路空間を挟んで各々の単セルの同種電極同士を対向させると共に、これらの互いに対向する単セルの各内向き電極とセルユニットのセル板とを電気的に接続した構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
本発明の燃料電池スタック構造体では、互いに重なり合うセル板において、単セルの同種の電極同士を対向させたことでセパレータが不要となり、加えて、セル板間の内外に配置する集電体及び接続端子で電気的な接続を行うことで電気抵抗の増大が抑制されることとなり、その結果、高出力でありながら小型化が図られることとなる。
【０００９】
また、互いに重なり合うセル板間の内外に配置する集電体及び接続端子の接触部分を選択することで、直列接続及び並列接続のいずれにも容易に対応し得ることとなり、高電圧タイプの燃料電池スタック構造体及び大電流タイプの燃料電池スタック構造の設計がいずれも容易なものとなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池スタック構造体によれば、上記した構成としているので、高電圧仕様及び大電流仕様のいずれの仕様にも対応することができると共に、小型化及び高出力化を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の燃料電池スタック構造体において、セル板には、金属や、合金や、導電性酸化物などの電子伝導性を有する材料が用いられ、このセル板に保持される単セルとしては、例えば、リング状の単セルのようにセル板上で一繋がりに配置されるものや、扇形状の単セルのようにセル板上で分割して配置されるものを採用し得る。
【００１２】
また、本発明の燃料電池スタック構造体において、セルユニットの中央部分に、セルユニットの積層方向のガス流路を具備して両セル板間の流路空間に一方のガスを供給する導電性を有する中央流路部品を配置し、互いに対向する単セルの各内向き電極と中央流路部品とを電気的に接続した構成とすることができる。
【００１３】
この際、複数のセルユニットは、中央流路部品同士を接触させて積層したり、セル板同士を接触させて積層したりすることができるほか、一方のセルユニットの中央流路部品と他方のセルユニットのセル板を接触させて積層することができる。
【００１４】
ここで、単セルの各内向き電極とセルユニットのセル板との電気的接続は、セル板上に単セルの内向き電極を直に配置したり、セルユニットの流路空間に配置した集電体を用いたりして実施することができ、セルユニットの積層時には、セル板を内向き電極の電気的接続端子部として使用することができる。
【００１５】
一方、単セルの各内向き電極と中央流路部品との電気的接続は、中央流路部品をセル板に接合することで実施可能であり、セルユニットの積層時には、中央流路部品も内向き電極の電気的接続端子部として使用することができ、このように、中央流路部品を接続端子部として使用することで電気抵抗の増大を抑制し得ることとなり、特に並列に接続する場合には、高出力化を実現し得ることとなる。
【００１６】
さらに、本発明の燃料電池スタック構造体において、あらかじめ作製した単セルをセル板に接合する構成を採用することができるほか、セルユニットのセル板の単セル配置部分を多孔質支持部とし、この多孔質支持部に単セルを形成した構成を採用することができ、この構成とすると、より小型化及び高出力化を実現し得るのに加えて、急速起動性の向上が図られることとなる。
【００１７】
上記多孔質支持部は、両セル板間の流路空間に導入する燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを単セルに供給するための連通部分であり、金属製又は合金製の多孔質支持部に対して単セルを形成する場合には、多孔質支持部が破損しない、例えば、酸化方法を採用する必要があるほか、スパッタ法や、電子ビーム法や、エアロゾル・デポジッション法や、焼結法などの方法を採用することができるが、これらの方法に限定されるものではない。
【００１８】
さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、セルユニットのセル板と、中央流路部品と、セルユニット間に配置する集電体とにより、複数積層したセルユニットを電気的に接続した構成を採用することができ、具体的には、セルユニット間に配置されて単セルの外向き電極と接触する集電体として、セルユニットを覆う袋形状のものを採用することができる。
【００１９】
この際、セルユニットに被せて外向き電極と接触させた袋形状の集電体が、このセルユニットのセル板における外向き電極の周囲の部分と導通するのを防ぐために、袋形状の集電体とセル板との間に絶縁性の部材を配置したり、集電体及びセル板の少なくといずれか一方の表面に絶縁性の被膜を形成したりするといった処理を実施するが、これらの絶縁方法に限定されるものではない。
【００２０】
そこで、本発明の燃料電池スタック構造体において、例えば、複数のセルユニット１，２，３・・・・・Ｎを電気的に直列接続する場合には、セルユニット１に被せて外向き電極と接触させた袋形状の集電体を隣接するセルユニット２のセル板に接続し、続いて、このセルユニット２の外向き電極と接触させた袋形状の集電体を隣接するセルユニット３のセル板に接続し、以降同様にして、外向き電極と接触させた袋形状の集電体を隣接するセルユニットＮのセル板に接続する。
【００２１】
この場合、各セルユニットの重なり合う部分同士を電気的に絶縁した状態で積層すると共に、隣接する袋形状の集電体同士も電気的に絶縁した状態とする必要があるが、セルユニットの重なり合う部分同士を電気的に絶縁状態で接合するためには、絶縁性の接着剤やガラスシール材で接合する方法を採用し得るほか、アルミナなどの絶縁性部材を介して接合したり、積層する部分（中央流路部品）自体を絶縁性材料で製作して接合したりする方法を採用し得るが、特にこれらの方法（構造）に限定されるものではない。
【００２２】
また、隣接する袋形状の集電体同士を電気的に絶縁した状態にするためには、集電体における外向き電極に当接しない面に絶縁層（絶縁性材料の被膜やシートなど）を配置するように成すことが望ましい。これは、隣接する袋形状の集電体同士が互いに押し付け合うように成すことで、外向き電極に対する圧接力を確保するためである。なお、袋形状の集電体同士を互いに押し付け合わせる必要がないときには、上記した絶縁層を配置する必要はない。
【００２３】
一方、本発明の燃料電池スタック構造体において、例えば、複数のセルユニット１，２，３・・・・・Ｎを電気的に並列接続する場合には、セルユニット１，２，３・・・・・Ｎの外向き電極と接触させた袋形状の集電体同士を電気的に接続すると共に、各セルユニットの重なり合う部分同士を電気的に導通した状態で積層する。
【００２４】
上記したように、セルユニットのセル板と、中央流路部品と、セルユニット間に配置する集電体とによって、複数積層したセルユニットを電気的に接続する構成を採用すると、電気抵抗の増大を抑制し得ることとなって高出力化が図られることとなり、加えて、隣接する集電体に対するセル板及び中央流路部品の接触部分を変更するだけで直列接続及び並列接続を容易に選択し得ることから、高電圧タイプ及び大電流タイプのいずれの仕様においてもその設計が容易なものとなる。
【００２５】
さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、複数積層したセルユニットの電気的な接続をセルユニットの周縁部において行う構成とすることができる。このように、セルユニットの周縁部で電気的な接続を行うと、電流経路の断面積がセルユニットの中央部側よりも周縁部側の方で大きく確保できることから、より一層電気抵抗の増大を少なく抑え得ることとなる。
【００２６】
具体的には、外向き電極と接触する袋形状の集電体の周縁部に切欠を設け、隣接する袋形状の集電体の切欠をずらして、切欠から露出したセル板部分と袋形状の集電体とを接続するように成すことで実施可能である。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、各構成部品の寸法や材質などの仕様は、以下の実施例に限定されるものではない。
【００２８】
［実施例１］
図１〜図６は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図２及び図３に示すように、この燃料電池スタック構造体は、円形リング状を成す燃料極支持型の単セル１０の内周縁部及び外周縁部に支持体２，３をそれぞれ接合して形成したセル板１を複数具備していて、図４に示すように、各々の単セル１０の燃料極１１，１１同士を対向させて配置した二枚のセル板１，１の各内周側支持体２，２で中央流路部品６を挟持しつつ、各外周側支持体３，３の外周縁部同士を接合することで一組のセルユニットＵを構成している。
【００２９】
この場合、セルユニットＵにおける二枚のセル板１，１間の袋綴じされた空間を燃料ガス流路４として形成しており、セル板１，１の各内周側支持体２，２には、燃料ガス導入孔２ａ及び燃料ガス排出孔２ｃが形成してあり、一方、中央流路部品６には、図５にも示すように、内周側支持体２の燃料ガス導入孔２ａと連通する積層方向のガス供給流路６ａと、このガス供給流路６ａと連通して燃料ガス流路４に燃料ガスを分配供給する水平方向のガス分配流路６ｂと、内周側支持体２の燃料ガス排出孔２ｃと連通する燃料ガス排出流路６ｃが形成してある。
【００３０】
そして、図１に示すように、互いに重なり合うセルユニットＵ，Ｕの間を空気ガス流路５として形成していて、二枚のセル板１，１間の燃料ガス流路４には、円形リング状を成す集電体７が配置してあると共に、セルユニットＵ，Ｕ間の空気ガス流路５には、セルユニットＵを被い得る袋形状を成す集電体８が配置してあり、セルユニットＵにおけるセル板１，１の各内周側支持体２，２を単セル１０に対する接続端子としている。
【００３１】
この実施例において、外径１５０ｍｍφ−内径５０ｍｍφの燃料極支持型セル（燃料極１１：Ｎｉ−ＳＤＣ、電解質１２：ＳＤＣ、空気極１３：ＳＳＣ）をリング形状を成す単セル１０として用いた。ここで、空気極１３であるＳＳＣは、外径１３５ｍｍφ−内径６５ｍｍφで成膜してあって、このＳＳＣを成膜していない外周部分１３５〜１５０ｍｍφの領域が、後述する外周側支持体３との接合面となり、同じくＳＳＣを成膜していない内周部分５０〜６５ｍｍφの領域が、後述する内周側支持体２との接合面となる。
【００３２】
また、内周側支持体２として、外径６０ｍｍφで且つ厚さが１００μｍのＳＵＳ４３０を用い、これをリング形状の単セル１０における電解質１２の内周縁部にガラスシール材によって接合し、一方、外周側支持体３として、外径２００ｍｍφ−内径１４０ｍｍφで且つ厚さが１００μｍのＳＵＳ４３０を用い、これをリング形状の単セル１０における電解質１２の外周縁部にガラスシール材によって接合して、一枚のセル板１を形成した。
【００３３】
そして、単セル１０の燃料極１１，１１同士が対向するようにして二枚のセル板１，１を配置し、ガス供給流路６ａ，ガス分配流路６ｂ及び燃料ガス排出流路６ｃを有するＳＵＳ４３０製の中央流路部品６を各々の内周側支持体２，２で挟持しつつ、二枚のセル板１，１の各外周側支持体３，３の外周縁部同士を接合して一組のセルユニットＵとした。
【００３４】
さらに、セルユニットＵの内外に配置した集電体７，８には、インコネル６００製のものを用い、このセルユニットＵでは、二枚のセル板１，１間の燃料ガス流路４に位置する集電体７を介して単セル１０の燃料極１１，１１同士を電気的に接続させると共に、この集電体７をセル板１（内周側支持体２，外周側支持体３）及び中央流路部品６に接触させた。一方、セルユニットＵに被せた袋形状を成す集電体８、すなわち、空気ガス流路５に位置する集電体８をセルユニットＵの外側に露出した単セル１０の空気極１３に接触させた。
【００３５】
こうして得たセルユニットＵを集電体８を介して積層するに際しては、互いに重なり合うセルユニットＵの内周側支持体２，２同士をシール性及び絶縁性を有するセラミックス接着剤９Ａにより接合すると共に、袋形状の集電体８を図１上側で隣接するセルユニット１の内周側支持体２に電気的に接続する。ここで、隣接する袋形状の集電体８，８同士が電気的に接触するのを避けるために、集電体８，８の各接触面を絶縁性材料９Ｂで被覆して電気的に絶縁する。
【００３６】
また、セルユニットＵに被せて空気極１３と接触させた袋形状の集電体８が、このセルユニットＵのセル板１における空気極１３の周囲の部分、すなわち、内周側支持体２及び外周側支持体３と導通するのを防ぐために、内周側支持体２及び外周側支持体３の表面に絶縁性の被膜９Ｃを形成し、以降同様にして、空気極１３と接触させた袋形状の集電体８を隣接するセルユニットＵのセル板１に接続すると、複数のセルユニットＵを電気的に直列接続した燃料電池スタック構造体が得られる。
【００３７】
つまり、上記した燃料電池スタック構造体において、図６にも示すように、セルユニットＵのセル板１における内周側支持体２及び中央流路部品６をセルユニットＵの接続端子として用い得ることとなる。
【００３８】
［実施例２］
図７〜図１２は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示している。図７に示すように、この実施例における燃料電池スタック構造体では、実施例１と同じ中央流路部品６を用いた。また、セル板２１として、外径１２０ｍｍφで且つ厚さが１００μｍのＳＵＳ４３０を用いており、このセル板２１は、図８に示すように、部分的に多孔質化してあって、この多孔質化した扇状部分２１ａにスパッタによって燃料極３１（Ｎｉ−ＹＳＺ）を成膜するのに続いて、図９に示すように、電解質３２（ＹＳＺ）をスパッタにより形成し、さらに、燃料極３１と同様のパターンで空気極３３（ＬＳＭ）をスパッタにより成膜することで、単セル３０を保持するセル板２１を得た。
【００３９】
そして、２枚のセル板２１，２１及び中央流路部品６を先の実施例と同様にして接合することで、１組のセルユニットＵ１を得た。この実施例において、単セル３０の燃料極３１をセル板２１の扇状部分２１ａに直接成膜しているため、燃料極３１は集電体を必要とすることなく、セル板２１及び中央流路部品６に対して電気的に接続した状態となっている。一方、単セル３０の空気極３３と接触する集電体２８は実施例１と同様に袋形状を成しており、図１０に示すように、電解質３２と同一位置にそして同一形状で配置してある。
【００４０】
こうして得たセルユニットＵ１を集電体２８を介して積層するに際しては、互いに重なり合うセルユニットＵ１の中央流路部品６保持部分同士をシール性及び絶縁性を有するセラミックス接着剤２９Ａにより接合する。この場合、図１１に示すように、袋形状の集電体２８の外周縁部に切欠２８ａを設け、互いに隣接する袋形状の集電体２８の切欠２８ａを円周方向にずらして、これらの切欠２８ａから露出したセル板２１の外周縁部分と袋形状の集電体２８とが接続するようにして、各セルユニットＵ１を積層する。
【００４１】
ここで、隣接する袋形状の集電体２８，２８同士が電気的に接触するのを避けるために、集電体２８，２８の各接触面を絶縁性材料２９Ｂで被覆して電気的に絶縁し、以降同様にして、空気極３３と接触させた袋形状の集電体２８を隣接するセルユニットＵ１のセル板２１の外周縁部分に接続すると、複数のセルユニットＵ１を電気的に直列接続した燃料電池スタック構造体が得られる。なお、この実施例では、セル板２１に電解質３２が形成されているので、集電体２８とセル板２１が電気的に接触することがない。
【００４２】
つまり、この実施例における燃料電池スタック構造体においても、図１２に示すように、セルユニットＵ１のセル板２１をセルユニットＵ１の接続端子として用い得ることとなる。
【００４３】
［実施例３］
図１３及び図１４は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図１３に示すように、この実施例における燃料電池スタック構造体では、外周縁部に切欠２８ａを有する実施例２の袋形状の集電体２８と同様の集電体２８を用いて、３組のセルユニットＵ１を並列に接続して並列スタックユニットＳＵ１を得た。この際、セルユニットＵ１を並列に接続するために、隣接する集電体２８，２８間は電気的に接続してあり、これと同じく、互いに重なり合うセルユニットＵ１の中央流路部品６保持部分同士も電気的に接続する必要があるため、シール性及び絶縁性の接合ではなく、シール性及び導電性の接合を実施している。
【００４４】
一方、３組のセルユニットＵ１を新たに並列接続して１組の並列スタックユニットＳＵ２とし、実施例２の袋形状の集電体２８と同様の集電体２８を用いて、上記２組の並列スタックユニットＳＵ１，ＳＵ２を電気的に直列に接続した。この際、隣接する袋形状の集電体２８，２８同士が電気的に接触するのを避けるために、集電体２８，２８の各接触面を絶縁性材料２９Ｂで被覆して電気的に絶縁し、また、互いに重なり合う並列スタックユニットＳＵ１，ＳＵ２の中央流路部品６保持部分同士をシール性及び絶縁性を有するセラミックス接着剤２９Ａにより接合し、以降同様にして電気的接続を繰り返すことにより、図１５に示すように、複数のセルユニットＵ１を電気的に並列に接続し、電気的に並列に接続して成る２組の並列スタックユニットＳＵ１，ＳＵ２同士を電気的に直列に接続した燃料電池スタック構造体が得られる。
【００４５】
つまり、この実施例における燃料電池スタック構造体においても、セルユニットＵ１のセル板２１をセルユニットＵ１の接続端子として用い得ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施例による燃料電池スタック構造体の断面説明図である。（実施例１）
【図２】図１における燃料電池スタック構造体のセル板の全体斜視説明図である。（実施例１）
【図３】図１における燃料電池スタック構造体のセルユニットの分解斜視説明図である。（実施例１）
【図４】図１における燃料電池スタック構造体のセルユニットの断面説明図である。（実施例１）
【図５】図１における燃料電池スタック構造体の中央流路部品の平面説明図（ａ），ａ−ｂ線断面説明図（ｂ）及びｃ−ｄ線断面説明図（ｃ）である。（実施例１）
【図６】図１における燃料電池スタック構造体の回路説明図である。（実施例１）
【図７】本発明の他の実施例による燃料電池スタック構造体の断面説明図である。（実施例２）
【図８】図７における燃料電池スタック構造体のセル板の平面説明図である。（実施例２）
【図９】図７における燃料電池スタック構造体の単セルを構成する電解質の平面説明図である。（実施例２）
【図１０】図７における燃料電池スタック構造体の集電体の平面説明図である。（実施例２）
【図１１】図８のセル板及び図１０の集電体の積層要領説明図である。（実施例２）
【図１２】図７における燃料電池スタック構造体の回路説明図である。（実施例２）
【図１３】本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体の断面説明図である。（実施例３）
【図１４】図１１における燃料電池スタック構造体の回路説明図である。（実施例３）
【符号の説明】
【００４７】
１，２１  セル板 
４，２４  燃料ガス流路（流路空間）
６        中央流路部品
６ａ，６ｂ  ガス供給・排出孔
８，２８  集電体
２８ａ    集電体の切欠（セルユニット周縁部の電気的接続部分）
１０，３０  単セル
１１，３１  燃料極
１２，３２  電解質
１３，３３  空気極
２１ａ      扇状部分（多孔質支持部）
Ｕ，Ｕ１    セルユニット
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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