(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路を有する複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セル間に介装された複数の集電部材と、前記複数の燃料電池セルを支持し、前記ガス流路にガスを供給するためのガスタンクとを具備するセルスタックを収納容器内に複数整列して収納してなるとともに、一の前記セルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する他の前記セルスタック端に位置する燃料電池セルとを、セルスタック接続部材により電気的に接続し、該セルスタック接続部材が前記一のセルスタックを構成するガスタンクおよび前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記集電部材が板状で、前記燃料電池セル間方向に弾性を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セルスタック接続部材が導電性セラミックス又は金属を用いて構成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。
【請求項４】
前記セルスタック接続部材は、前記一のセルスタックを構成するガスタンクおよび前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定されたセラミックスからなる固定部材と、前記一のセルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタック端に位置する燃料電池セルとを電気的に接続するための接続部材とから構成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。
【請求項５】
前記セルスタック接続部材は、前記一のセルスタックを構成するガスタンクに固定された一の固定部材と、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定された他の固定部材と、前記一の固定部材および前記他の固定部材に接続され、かつ前記一のセルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタック端に位置する燃料電池セルとを電気的に接続するための接続部材とから構成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。
【請求項６】
前記セルスタック接続部材は、前記一のセルスタックを構成するガスタンクに固定された一の固定部材と、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定された他の固定部材とを備え、それぞれの前記固定部材は、セラミックスからなる非導電部と、該非導電部の外周を取り囲むように構成されかつ前記セルスタック端に位置する燃料電池セルと接続される導電部とを備えるとともに、前記一の固定部材の前記導電部と前記他の固定部材の前記導電部とを電気的に接続するための接続部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記接続部材が導電性の線材、又は角材からなることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記セルスタック接続部材と前記ガスタンクとが接着剤及び／又は螺子止めにより固定されていることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記固定部材と前記接続部材とが導電性接着剤及び／又は螺子止めにより固定されていることを特徴とする請求項４乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池。
【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、特に燃料電池セルスタックの固定、集電方法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、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
燃料電池セルは固体電解質を空気極、燃料極で挟持して構成され、この空気極に酸素含有ガスを供給し、燃料極に水素を含むガス、もしくは水素に変化しうるガスを供給することで、固体電解質を挟んで対峙する両電極に電位差が発生し、発電するものである。
【０００４】
これらの燃料電池は用いる電解質や形態により、様々な組み合わせが考えられるが、ほとんどの場合、燃料電池セルに酸素を含むガスと水素を含むガス、もしくは水素に変化しうるガスを供給して発電を行う。
【０００５】
また、燃料電池は燃料電池セル当たりの発電量が小さいため、複数の燃料電池セルを電気的に結合して構成されている。さらに、発生させた直流電気を需要設備に供給するため交流電気に変換するが、その際の変換効率を上げること、及び集電時の電気抵抗による電力ロスを低減するため、燃料電池セルを直列に結合してセルスタックから発生させる電圧を上げることが望ましい。
【０００６】
このような燃料電池では、１０００℃程度の高温で発電を行うことから、熱による部材の寸法変化や部材の劣化により、複数の燃料電池セル、あるいは複数のセルスタックを接続し、それらの接続信頼性を維持することは困難であった。
【０００７】
そこで、燃料電池セルスタックの両側に集電部材を押しつけ、電気的接続を行うとともに、この集電板を介して、外部へ電力を取り出し、接続信頼性を改善することが試みられている（特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開１９９６−１６２１４６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池では、陽極側と陰極側の集電板を発電室側面に挿入されている炉壁や断熱材、または弾性を有する締め付け部材にて押圧し、燃料電池セル間の電気接続を行っているが、燃料電池セルスタックを押圧するための構造が複雑になり、また燃料電池セルが直並列接続となるため高電圧化が困難であるといった問題があった。また電圧を上げるためには直並列接続された燃料電池セルスタックをさらに直列接続する必要があるため使用するセル数が多くなるといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の問題を解決するため、簡単な構造で、複数の燃料電池セル、及び複数の燃料電池セルスタックを接続できる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、ガス流路を有する複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セル間に介装された複数の集電部材と、前記複数の燃料電池セルを支持し、前記ガス流路にガスを供給するためのガスタンクとを具備するセルスタックを収納容器内に複数整列して収納してなるとともに、一の前記セルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する他の前記セルスタック端に位置する燃料電池セルとを、セルスタック接続部材により電気的に接続し、該セルスタック接続部材が前記一のセルスタックを構成するガスタンクおよび前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定されていることを特徴とする。
【００１２】
このような燃料電池では、セルスタック接続部材をセルスタック端に固定することで、単純な構造で、セルスタック内のセル同士の接続方向に圧力を加えることができるため、セル同士の接続を確保できるとともに、セルスタック間の電気的接続を確保できるため、部品数の削減と組み立て性の向上、接続信頼性の向上が達成できる。
【００１３】
また、セルスタック接続部材をセルスタックを構成するガスタンクに固定することで、別途、セルスタック接続部材を燃料電池セルに押しつけるなどするための治具、部材を設ける必要がないため、簡単な構造で、セルスタック内、セルスタック間の電気的接続を確保できる。また、セルスタックとセルスタック接続部材とを簡単に接続、取り外しができるため、組み立て性、メンテナンス性を改善できる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池は、前記集電部材が板状で、前記燃料電池セル間方向に弾性を有する形状であることを特徴とする。このように、集電部材を比較的剛性が高い形態とすることで、例えば、熱サイクルを加えても、集電部材の弾性がほとんど変化せず、また、表面積が小さい形態とすることで、雰囲気の影響により、集電部材の酸化あるいは腐食が抑制され、集電部材の剛性、弾性の変化を抑制することができ、燃料電池セルの接続が長期にわたって良好に維持される。
【００１５】
また、本発明の燃料電池は、前記セルスタック接続部材が導電性セラミックス又は金属を用いて構成されていることを特徴とする。このようにセルスタック接続部材に導電性の高い金属を用いることで、集電ロスを小さくすることができる。また、導電性セラミックスを用いることで耐酸化性が向上し、接続信頼性が向上する。
【００１６】
また、本発明の燃料電池は、前記セルスタック接続部材が、前記一のセルスタックを構成するガスタンクおよび前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定されたセラミックスからなる固定部材と、前記一のセルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタック端に位置する燃料電池セルとを電気的に接続するための接続部材とから構成されていることを特徴とする。
【００１７】
このようにセルスタック接続部材が、セラミックスからなる固定部材と接続部材とから構成される場合には、セラミックスからなる固定部材が高温でも高い剛性を維持できるため、発電時でも、燃料電池セルに良好な押圧力を加えることができるとともに、接続部材の劣化を抑制することができる信頼性の高い燃料電池となる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池は、前記セルスタック接続部材が、前記一のセルスタックを構成するガスタンクに固定された一の固定部材と、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定された他の前記固定部材と、前記一の固定部材および前記他の固定部材に接続され、かつ前記一のセルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタック端に位置する燃料電池セルとを電気的に接続するための接続部材とから構成されていることを特徴とする。
【００１９】
このように、固定部材を分割構造とすることで製造の容易性が向上するとともに、セルスタック接続部材が仮に消耗して、部品の交換が必要となった場合でも、必要な部品の交換のみですむため、ランニングコストが低くなる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池は、前記セルスタック接続部材は、前記一のセルスタックを構成するガスタンクに固定された一の固定部材と、前記一のセルスタックに隣接する前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定された他の固定部材とを備え、それぞれの前記固定部材は、セラミックスからなる非導電部と、該非導電部の外周を取り囲むように構成されかつ前記セルスタック端に位置する燃料電池セルと接続される導電部とを備えるとともに、前記一の固定部材の前記導電部と前記他の固定部材の前記導電部とを電気的に接続するための接続部材を備えることを特徴とする。
【００２１】
このように、セルスタック接続部材を構成する固定部材が、耐熱性に優れたセラミックスからなる非導電部と、非導電部の外周を取り囲むように構成されかつセルスタック端に位置する燃料電池セルと接続される導電部とで構成することで、電気抵抗が低く、信頼性の高い燃料電池となる。また、固定部材を分割構造とすることで製造の容易性が向上するとともに、部品の交換も必要な部品のみですむため、ランニングコストが低くなる。さらに、このような構造にして、部材を細分化することで、部材ごとに最適な素材を選択することができ、特性の優れた燃料電池を提供できる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池は、前記接続部材が導電性の線材、又は角材からなることを特徴とする。生産性、加工性に優れた導電性の線材、又は角材を用いることで、部材を安価に供給できるため、安価で、ランニングコストの低い燃料電池を提供できる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池は、前記セルスタック接続部材と前記ガスタンクとが接着剤及び／又は螺子止めにより固定されていることを特徴とする。このような接続構造とすることで接続信頼性、組み立て性、メンテナンス性に優れた燃料電池を提供できる。
【００２４】
また、本発明の燃料電池は、前記固定部材と前記接続部材とが導電性接着剤及び／又は螺子止めにより固定されていることを特徴とする。このような接続構造とすることで接続信頼性、組み立て性、メンテナンス性に優れた燃料電池を提供できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池は、例えば、図１、２に示すようなセルスタック１を収納容器内に収納してなるもので、図１はセルスタック１と、セルスタック接続部材９の縦断面図、図２は複数のセルスタック１の接続構造を示すものである。
【００２６】
本発明の燃料電池のセルスタック１は、ガスタンク３に複数の燃料電池セル５が立設し、これらの燃料電池セル５はそれぞれ燃料電池セル５間に集電部材７を介装して電気的に接続されて構成される。セルスタック１の端部に配置された燃料電池セル５ａと燃料電池セル５ｈとは、セルスタック接続部材９により、両側から押圧され、セルスタック接続部材９は、接着剤（図示せず）及び／又は螺子１１により、ガスタンク３に固定されている。
【００２７】
このセルスタック接続部材９は、固定部材９ａと接続部材９ｂとから構成され、図１に示すように、セルスタック接続部材９の固定部材９ａは、ガスタンク３に固定されている。また、図２に示すように、接続部材９ｂは、セルスタック１ａ端の燃料電池セル５ａを、セルスタック１ｂ端の燃料電池セル５ｉに電気的に接続している。
【００２８】
このように、セルスタック接続部材９をガスタンク３に固定することで従来の接続構造に比べ、簡単な構造で、確実にセルスタック１ａとセルスタック１ｂとを電気的に接続することができる。
【００２９】
これらの燃料電池セル５は、例えば、内部にガス流路１３を有し、内部電極、固体電解質、外部電極（図示せず）を順次積層してなる発電部を具備するものである。なお、燃料電池セル５の詳細な詳細な構造は省略した。
【００３０】
また、これらの燃料電池セル５の下端部は燃料電池セル５の支持体を兼ねたガスタンク３の上蓋３ａに支持固定されている。
【００３１】
このようなセルスタック１を収納容器内に複数収納してなる燃料電池において、収納容器内を加熱して、燃料電池セル５を所定の温度まで加熱するとともに、上蓋３ａとガスタンク枠体３ｂとからなるガスタンク３内のガス室１５に、水素含有ガスを供給し、上蓋３ａに設けられたガス導入路１７を介して、燃料電池セル５内のガス流路１３に燃料ガス及び／又は酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル５間に酸素含有ガス及び／又は燃料ガスを供給することで発電が行われるものである。
【００３２】
発電に際して、燃料電池セル５で発生した電流は、燃料電池セル５間に設けられた集電部材７、セルスタック接続部材９を介して流れ、利用される。
【００３３】
このような燃料電池において、セルスタック接続部材９は、その一端部がガスタンク３に固定されていることが重要であり、様々な他の形態をとることができる。
【００３４】
以下に図３〜８を用いて、セルスタック接続部材９の種々の形態について説明する。なお、図３〜８において、（ａ）は、（ｂ）の破線部分の断面図であり、（ｂ）は、セルスタック接続部材９の燃料電池セル５と接する側Ａから見た説明図、（ｃ）は、セルスタック接続部材９の燃料電池セル５と接する側の逆側Ｂから見た説明図である。
【００３５】
例えば、図３に示すように、セルスタック接続部材９が一体物で、導電性セラミックスや耐熱性金属からなる形態では、セルスタック接続部材９の製造が容易であり、部品数も少なくできるため、製造コストを下げることができる。
【００３６】
また、図４に示すように、セルスタック接続部材９が、セラミックスからなる非導電部（固定部材９ａ）と、導電部（接続部材９ｂ）とから構成される場合には、セラミックスからなる非導電部９ａが高温でも高い剛性を維持できるため、発電時でも、燃料電池セル５に良好な押圧力を加えることができる。また、導電部９ｂがガスと接する面積が減少するため、導電部９ａの劣化を抑制することができる。なお、このような形態では、導電部９ｂと非導電部９ａとは、例えば、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる金属を含有する導電性接着剤により、接着してもよく、同時焼結して、一体物としてもよい。また、螺子を用いるなどして機械的に、非導電部（固定部材９ａ）と、導電部（接続部材９ｂ）とを固定する場合には、それぞれの部材が仮に破損するなどした場合には、固定を解除し、破損した部品のみを交換することができ、ランニングコスト下げることができる。
【００３７】
また、図５に示すように、セルスタック接続部材９の導電性の固定部材９ａが複数に分割されている場合には、部品数が増加するため、接続構造は若干複雑になるものの、セルスタック１に多少の寸法差があったとしても、接続部でその寸法差を吸収できるため、組み立てが容易となる。また、一部の部品が破損したとしても、その部品のみを交換することで、容易に補修することができるとともに、ランニングコストを下げることができる。
【００３８】
また、図６に示すように、セルスタック接続部材９の絶縁性の固定部材９ａが複数に分割され、固定部材９ａが、セラミックスからなる場合には、図５で記載した点に加え、固定部材９ａが高剛性のセラミックスとなったことにより、高温でも良好にセルスタック１を保持することができ、長期信頼性が向上するという利点がある。
【００３９】
また、図７に示すように、セルスタック接続部材９の固定部材９ａが複数に分割され、さらに、固定部材９ａが、セラミックスからなる非導電部９ａ１と、非導電部９ａ１の外周を取り囲む導電部９ａ２からなり、固定部材９ａ同士を接続部材９ｂで電気的に接続する形態では、セラミックスからなる非導電部９ａ１を導電部９ａ２が取り囲む形状となっているため、たとえ、両者の材質が異なる場合でも、はがれが生じにくく、接続信頼性が向上する。
【００４０】
また、図８に示すように、例えば、図７の接続部材９ｂを角材に置き換えた場合には、接続部材９ｂを入手しやすくなり、製造コストを低減できる。また、接続部材９ｂの剛性が低下するため、熱サイクルによるセルスタック１の変形などを吸収しやすくなり、信頼性が向上する。
【００４１】
なお、本発明の燃料電池に用いられる集電部材は、図９に示すように板状で、燃料電池セル間方向に弾性を有する様に折曲した形状であることが重要である。このような形状は、例えば、図９（ａ）に示すようなＮ型の形状や、図９（ｂ）に示すような櫛歯形状によって実現される。なお、図９に示した矢印の方向が燃料電池セル５間方向である。
【００４２】
このような形状の集電部材７では、熱サイクルによっても弾性、剛性が変化しにくく、また、従来のフェルトなどに比較すると格段に塑性変形が起こりにくいことから、長期にわたって、燃料電池セル５間に弾性力を維持することができるため、特に本発明のセルスタック接続部材９との組み合わせが効果的となる。
【００４３】
本発明の燃料電池は、以上説明したセルスタック１とセルスタック接続部材９の接続構造を収納容器内に収納してなるものである。
【００４４】
以上説明した燃料電池において、接続部材９ｂが導電性を有するものであることは、勿論である。
【００４５】
なお、本発明の燃料電池は上記の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り、変形可能である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の燃料電池は、ガス流路を有する複数の燃料電池セルと、該複数の燃料電池セル間に介装された複数の集電部材と、前記複数の燃料電池セルを支持し、前記ガス流路にガスを供給するためのガスタンクとを具備するセルスタックを収納容器内に複数整列して収納してなるとともに、一の前記セルスタック端に位置する燃料電池セルと、前記一のセルスタックに隣接する他の前記セルスタック端に位置する燃料電池セルとを、セルスタック接続部材により電気的に接続し、該セルスタック接続部材が前記一のセルスタックを構成するガスタンクおよび前記他のセルスタックを構成するガスタンクに固定されていることから、簡単な構造で、組み立て性、メンテナンス性、信頼性に優れた燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセルスタックとセルスタック接続部材の接続構造を示す縦断面図である。
【図２】図１のセルスタックとセルスタック接続部材の接続構造を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池に用いられる一体物のセルスタック接続部材の一形態の説明図である。
【図４】本発明の燃料電池に用いられる導電部と非導電部とを具備するセルスタック接続部材の説明図である。
【図５】本発明の燃料電池に用いられる分割構造を有するセルスタック接続部材の説明図である。
【図６】分割構造を有し、導電部と非導電部とを具備するセルスタック接続部材の説明図である。
【図７】分割構造を有し、導電部と非導電部とを具備するセルスタック接続部材の他の形態の説明図である。
【図８】分割構造を有し、接続部が線材あるいは角材からなるセルスタック接続部材の説明図である。
【図９】本発明の燃料電池に用いられる板状の集電部材を示し、（ａ）は、Ｎ型集電部材、（ｂ）は、櫛歯型集電部材の斜視図である。
【符号の説明】
１・・・セルスタック
３・・・ガスタンク
５・・・燃料電池セル
７・・・集電部材
９・・・セルスタック接続部材
９ａ・・・固定部材
９ｂ・・・接続部材（導電部材）
１１・・・螺子
１３・・・ガス流路
【図１】
0004192047.tif 000002
【図２】
0004192047.tif 000003
【図３】
0004192047.tif 000004
【図４】
0004192047.tif 000005
【図５】
0004192047.tif 000006
【図６】
0004192047.tif 000007
【図７】
0004192047.tif 000008
【図８】
0004192047.tif 000009
【図９】
0004192047.tif 000010