(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガス通過孔を有し断面が扁平状で柱状の複数の燃料電池セルを収納容器内に配列して収納し、前記複数の燃料電池セル間に板状集電部材を配置し、対向する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるとともに、前記板状集電部材が、帯状母体のそれぞれの長辺に複数の切れ目であるスリットを平行に形成し、該スリット間の集電片を対向する前記燃料電池セル側に交互に突出させてなり、前記燃料電池セル間に位置して設けられる帯状体と、該帯状体のそれぞれの長辺から延設され、前記帯状体の両側の燃料電池セルの平坦な外面に面接触する複数の前記集電片とからなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池セルは、軸長方向にガス通過孔が形成された内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成し、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない内側電極の表面にインターコネクタを形成してなり、一方の前記燃料電池セルのインターコネクタと他方の前記燃料電池セルの外側電極に、前記板状集電部材の集電片が当接していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池セルは、酸素含有ガスに曝される外側電極を有しており、前記板状集電部材が、導電性を有する金属又は合金の表面を耐酸化性物質で被覆して構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するもので、特に複数の燃料電池セルの集電特性が良好な燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
従来の固体電解質型燃料電池は、複数の燃料電池セルを収納容器内に収納し、燃料電池セル同士を集電部材により電気的に直列又は並列に接続して構成されており、発電は燃料電池セルに酸素含有ガス及び燃料ガスを供給して６００〜１０００℃程度の高温で行われていた。
【０００４】
そして、燃料電池セル間の電気的な接続を行う集電部材は、従来、繊維状の金属が集合した金属フェルト状のものが用いられていた。このようなフェルト状の集電部材を用いた燃料電池は、複数の燃料電池セルを配列集合させ、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極との間に、フェルト状の集電部材を詰め込み燃料電池セルを直列に接続してセルスタックを形成し、このセルスタックを収納容器内に収納して構成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池では、フェルト状の集電部材が繊維状の金属から構成されているため、一方の燃料電池セルのインターコネクタと、他方の燃料電池セルの外側電極とは点接触となり、集電特性が未だ低いという問題があった。
【０００６】
また、燃料電池セル間に集電部材を詰め込んだとしても、振動や集電部材の弾性低下等の原因で燃料電池セルとの接触が十分に行われなくなり、発電当初は集電特性はある程度良好であったとしても経時的に低下する可能性があった。
【０００７】
さらに、燃料電池セル間に空気等の酸素含有ガスが導入されて発電する場合には、繊維状金属の表面から酸化し、集電特性が低下し、また金属フェルトの弾性力が低下し、経時的に特定が低下するという問題もあった。
【０００８】
また、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電部材を詰め込む際に、集電部材がフェルト状であることに起因して、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外側電極同士が導通してしまうという危険性もあった。
【０００９】
本発明は、燃料電池セル間の集電特性を向上できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、内部にガス通過孔を有し断面が扁平状で柱状の複数の燃料電池セルを収納容器内に配列して収納し、前記複数の燃料電池セル間に板状集電部材を配置し、対向する前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなるとともに、前記板状集電部材が、帯状母体のそれぞれの長辺に複数の切れ目であるスリットを平行に形成し、該スリット間の集電片を対向する前記燃料電池セル側に交互に突出させてなり、前記燃料電池セル間に位置して設けられる帯状体と、該帯状体のそれぞれの長辺から延設され、前記帯状体の両側の燃料電池セルの平坦な外面に面接触する複数の前記集電片とからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池では、板状集電部材のバネ性を有する集電片により燃料電池セル間を押し広げるようにして機械的に接続しているため、燃料電池セルとは面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セルに当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。
【００１２】
また、集電片は板状であるため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電片は板状であるため、収納容器内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保できる。
【００１３】
さらに、集電部材が板状であるため、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電部材を詰め込む際にも、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外側電極同士の導通を確実に防止できる。また、本発明の燃料電池では、燃料電池セルは扁平状であり、対向する燃料電池セル外面は略平坦であるため、板状集電部材の集電片が燃料電池セル外面に確実に当接し、集電特性を向上できる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池では、板状集電部材を、帯状母体のそれぞれの長辺に複数の切れ目であるスリットを平行に形成し、該スリット間の集電片を対向する燃料電池セル側に交互に突出させてなるため、板状集電部材の集電片が両側に交互に突出しており、集電片間に形成された隙間へガス供給でき、発電特性を向上できる。
【００１６】
本発明の燃料電池では、燃料電池セルは、軸長方向にガス通過孔が形成された内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成し、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない内側電極の表面にインターコネクタを形成してなり、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極に、板状集電部材の集電片が当接していることを特徴とする。このように燃料電池セルを電気的に直列に接続する場合に好適に用いられる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池では、燃料電池セルは、酸素含有ガスに曝される外側電極を有しており、板状集電部材が、導電性を有する金属又は合金の表面を耐酸化性物質で被覆して構成されていることが望ましい。板状集電部材が耐酸化性を有するため、板状集電部材が酸素含有ガスに曝されたとしても良好な電気伝導性を有することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の燃料電池の一形態を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３と、これらの燃料電池セル３３間に挿入される酸素含有ガス供給管３９と、燃料電池セル３３の上方に設けられた熱交換部４１とが設けられている。
【００１９】
収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。
【００２０】
収納容器３１内の燃料電池セル３３は、図２に示すように、３列に整列しており、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。尚、図１では燃料電池セルを４列に整列した状態を記載した。
【００２１】
具体的に説明すると、燃料電池セル３３は断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔３４が形成されている。この燃料電池セル３３は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極（内側電極）３３ａの外面に、緻密質な固体電解質３３ｂ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極（外側電極）３３ｃを順次積層し、酸素側電極３３ｃと反対側の燃料側電極３３ａの外面にインターコネクタ３３ｄを形成して構成されており、燃料側電極３３ａが支持体となっている。
【００２２】
即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部と、これらの弧状部を連結する一対の平坦部とから構成されており、一対の平坦部は平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部は、燃料側電極３３ａの平坦部にインターコネクタ３３ｄ、又は固体電解質３３ｂ、酸素側電極３３ｃを形成して構成されている。
【００２３】
一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には板状集電部材４３が介在され、一方の燃料電池セル３３の燃料側電極３３ａは、該燃料側電極３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｄ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃに電気的に接続されている。尚、図２では、集電部材４３を簡略化して記載した。
【００２４】
板状集電部材４３は、図３に示すように、燃料電池セル３３の平坦部（側面）に対向して設けられる帯状体４３ａと、この帯状体４３ｂの対向するそれぞれの長辺に形成され、対向する燃料電池セル３３側に突出して当接する複数の集電片４３ｂとから構成されている。対向する燃料電池セル３３間には、帯状体４３ａの長さ方向が、燃料電池セル３３の軸長方向（長さ方向）となるように、１本の板状集電部材４３が介装されている。尚、対向する燃料電池セル３３間に複数の板状集電部材４３を介装しても良い。
【００２５】
このような板状集電部材４３は、帯状母体の対向する長辺に複数のスリットを略平行に形成し、該スリット間の集電片４３ｂを対向する燃料電池セル３３側に交互に突出させて形成され、複数の集電片４３ｂは対向する燃料電池セル３３の外面にそれぞれ交互に当接している。
【００２６】
即ち、集電片４３ｂは、一方の燃料電池セル３３の平坦部であるインターコネクタ３３ｄと、他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ間に配置され、燃料電池セル３３同士が直列に接続されている。平坦部に集電片４３ｂが当接しているため確実に当接し、電気的接続を確実に行うことができる。また、複数の集電片４３ｂはＡｇペーストを介して燃料電池セル３３に接合している。このＡｇペーストは発電時に焼き付けられ、集電片４３ｂと燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄ、酸素側電極３３ｃに接合し、これにより、集電片４３ｂと燃料電池セル３３との電気的接続を十分にとることができる。集電片４３ｂの幅は、集電特性を向上し、集電片４３ｂ間に十分に酸素含有ガスを供給するという点から、２ｍｍ以下が望ましい。
【００２７】
これらの板状集電部材４３は、導電性を有するＣｒ、Ｆｅを主成分とするフェライト系ステンレスの表面をＡｇからなる耐酸化性物質で被覆して構成されている。尚、板状集電部材４３は導電性を有する金属又は合金を主成分とするものの表面を耐酸化性物質で被覆したものであれば、上記したものに限定されるものではない。燃料電池セル３３のセル方向への動きの自由度が得られるという理由から、帯状体４３ｂに長さ方向にスリットを形成することが望ましい。
【００２８】
燃料電池セル３３の下方には、図１に示したように、燃料ガスを燃料電池セル３３に供給するための燃料ガスタンク４５が設けられ、この燃料ガスタンク４５には、外部から燃料ガスを燃料ガスタンク４５に供給するための燃料ガス供給管５１が接続されている。
【００２９】
燃料ガスタンク４５には、燃料電池セル３３の下端部に取り付けられた取付治具５３が螺着しており、これにより、燃料電池セル３３が燃料ガスタンク４５にそれぞれ立設している。即ち、取付治具５３は、燃料電池セル３３の端部に取り付けられたセル端部側取付治具５３ａと、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着する連結部材５３ｂとから構成されており、連結部材５３ｂの両端部には向きが逆のねじ部が形成され、連結部材５３ｂを一方側に回転させると、両端部がセル端部側取付治具５３ａ及び燃料ガスタンク４５にそれぞれ螺着するように形成されている。
【００３０】
セル端部側取付治具５３ａ、連結部材５３ｂには、燃料ガスタンク４５と燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４に連通するように貫通孔が形成されている。
【００３１】
また、図１に示したように、酸素含有ガス供給管３９は、その先端部が燃料電池セル３３間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃料電池セル３３間を通って燃料電池セル３３の上方に流れ、発電で用いられなかった余剰の燃料ガスは、燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４を通って燃料電池セル３３の上方から吹き出し、燃料電池セル３３の上端近傍において、燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼するように構成されている。
【００３２】
熱交換部４１は、熱交換器４１ａと、燃焼室３７を介してセルスタック３５に対向して設けられた酸素含有ガス収容室４１ｂとから構成されている。
【００３３】
熱交換器４１ａは、図４に示すように、平板６１と波板６３を交互に積層したプレートフィン型構造とされており、酸素含有ガス収容室４１ｂと連通する通路を形成する波板６３ａは、図４（ｂ）に示すように形成され、また、燃焼ガスの排出用の通路を形成する波板６３ｂは、図４（ｃ）に示すように形成されている。
【００３４】
燃焼ガスは、図１に一点鎖線で示したように熱交換器４１ａの下部側面から導入され、熱交換器４１ａの上方へ排出され、一方、酸素含有ガスは、図１に破線で示したように熱交換器４１ａの上部側面から導入され、熱交換器４１ａの下方へ導かれ、酸素含有ガス収容室４１ｂ内に導入される。
【００３５】
酸素含有ガス収容室４１ｂは、図５に示すように、熱交換器４１ａの酸素含有ガスが導入される側の端面、即ち燃料電池セル３３側端面に設けられており、波板６３ａの各通路を通過した酸素含有ガスが一旦収容されるようになっている。
【００３６】
酸素含有ガス収容室４１ｂには、複数の酸素含有ガス供給管３９の一端が開口し、連通している。
【００３７】
また、図１に示したように、酸素含有ガス収容室４１ｂの側面と断熱材３１ｂとの間、即ち酸素含有ガス収容室４１ｂの周囲は、燃焼ガスを熱交換器４１ａに導入する燃焼ガス導入口７１とされている。この燃焼ガス導入口７１を介して燃焼ガスが熱交換器４１ａの波板６３ｂの通路へ導出される。
【００３８】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を酸素含有ガス管７３を介して熱交換器４１ａに導入し、酸素含有ガス収容室４１ｂに導入し、酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に噴出させるとともに、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管５１を介して燃料電池セル３３の燃料ガス通過孔３４内に供給し発電させる。
【００３９】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔３４の上端から燃焼室３７内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは燃料電池セル３３間を流れ、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口７１を介して熱交換器４１ａに導出され、熱交換器４１ａの上端から排出される。
【００４０】
そして、本発明の燃料電池では、板状集電部材４３のバネ性を有する集電片４３ａが燃料電池セル３３間を押し広げるようにして対向する燃料電池セル３３間を機械的に接続しているため、燃料電池セル３３とは面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セル３３に当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。また、集電片４３ｂは板状であるため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。
【００４１】
また、一方の燃料電池セル３３の側面に当接した集電片４３ｂ間には隙間が形成されているので、酸素含有ガスが隙間、酸素側電極３３ｃを介して、固体電解質３３ｂへ供給され、発電が良好となる。
【００４２】
さらに、集電片４３ｂは板状であるため、収納容器３１内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セル３３との十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電部材４３が板状であるため、一方の燃料電池セル３３のインターコネクタ３３ｄと他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃとの間に板状集電部材４３を介装する際にも、一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｃ同士の導通を確実に防止できる。
【００４３】
また、一本の板状集電部材４３により対向する燃料電池セル３３間を電気的に接続できるため、実装を容易に行うことができ、また帯状体４３ａの長辺両側に集電片４３ｂが形成されているため、板状集電部材４３を安定した状態で燃料電池セル３３間に配置できるとともに、板状集電部材４３の弾性力を向上でき、燃料電池セル３３の接続固定を確実に行うことができる。
【００４４】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換器４１ａに導入し、この熱交換器４１ａで燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換させ、起動時に酸素含有ガスを予熱することができ、また、酸素含有ガス供給管３９が燃焼ガス中を挿通することにより、燃焼ガスにより酸素含有ガス供給管３９内の酸素含有ガスをさらに加熱することができるため、加熱した酸素含有ガスにより燃料電池セル３３を間接的に加熱して実質的に発電するまでの起動時間を短縮できる。
【００４５】
また、燃料電池セル３３が燃焼ガスが発生する室に配置されているため、この燃焼ガスにより燃料電池セル３３を直接加熱することができ、起動時間を短縮できる。
【００４６】
さらに、燃料電池セル３３の上部に酸素含有ガス収容室４１ｂ、熱交換器４１ａが隣接して形成されているため、高温の燃焼ガスを配管等を用いることなく熱交換器４１ａに直接導入でき、簡単な構造で酸素含有ガスの予熱効率を大きくできる。
【００４７】
また、収納容器３１内で、燃焼ガスと酸素含有ガスとを熱交換できるため、酸素含有ガスの予熱を行うためのバーナーを収納容器３１内に別途設ける必要がなく、小型にでき、しかも燃焼ガスを有効利用できる。
【００４８】
さらに、熱交換器４１ａに酸素含有ガス収容室４１ｂを設けたので、熱交換器４１ａと酸素含有ガス供給管３９との接続を酸素含有ガス収容室４１ｂを介して行うことができ、熱交換器４１ａからの酸素含有ガスを発電室４９内に確実に供給できる。
【００４９】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５０】
また、熱交換器４１ａとしてプレートフィン型を用いたが、本発明ではこれに限定されるものではなく、それ以外の熱交換器を用いても良いことは勿論である。
【００５１】
さらに、上記例では、燃料電池セル３３を直列に接続した例について説明したが、並列接続しても良いことは勿論である。また、燃料側電極３３ａを内側電極としたが、酸素側電極３３ｃを内側電極としても良い。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の燃料電池では、板状集電部材のバネ性を有する集電片により燃料電池セル間を押し広げるように機械的に接続しているため、燃料電池セルとは面接触となり、従来のようなフェルト状の集電部材よりも燃料電池セルに当接する面積が大きくなり、集電特性を向上できる。また、集電片は板状であるため弾性力も大きく、振動等が生じたとしても燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保できる。
【００５３】
さらに、集電片は板状であるため、収納容器内が高温となった場合でも、従来のフェルト状の集電部材よりも焼結しにくく、また、燃料電池セルとの十分な接触を長期間確保できる。さらにまた、集電部材が板状であるため、例えば、一方の燃料電池セルのインターコネクタと他方の燃料電池セルの外側電極との間に集電部材を詰め込む際にも、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルの外側電極同士の導通を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。
【図２】図１の複数の燃料電池セルの接続状態を示す横断面図である。
【図３】板状集電部材を用いて燃料電池セルを接続した状態を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は板状集電部材を示す斜視図である。
【図４】図１の熱交換器の概念を説明するための図であり、（ａ）は熱交換器の斜視図、（ｂ）は酸素含有ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図、（ｃ）は燃焼ガスの通路を形成するための波板を示す斜視図である。
【図５】本発明の熱交換部を説明するための斜視図である。
【符号の説明】
３１・・・収納容器
３３・・・燃料電池セル
３３ａ・・・燃料側電極（内側電極）
３３ｂ・・・固体電解質
３３ｃ・・・酸素側電極（外側電極）
３３ｄ・・・インターコネクタ
３４・・・燃料ガス通過孔
４３・・・板状集電部材
４３ａ・・・帯状体
４３ｂ・・・集電片
【図１】
0003898552.tif 000002
【図２】
0003898552.tif 000003
【図３】
0003898552.tif 000004
【図４】
0003898552.tif 000005
【図５】
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