セルスタック及び燃料電池
【課題】セル間距離の変動及びセルの長さ方向の伸縮に対して十分に追従できる柔軟性を有し、かつセルの外側電極へ反応ガスを十分に供給できるセルスタック及び燃料電池を提供する。
【解決手段】集電部材１０が、セル３０のセル長さ方向Ｈに延設された一対の保持部材１０ａと、該一対の保持部材１０ａに、セル長さ方向Ｈに所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯１０ｂと、該連結帯１０ｂに複数設けられセル長さ方向Ｈに延設された複数の接合帯１０ｃとを具備し、保持部材は、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２とを具備し、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２に折曲部２５を形成し、連結帯１０ｂ及び接合帯１０ｃが対向する燃料電池セル３０の平坦側面に交互に接合した。
【解決手段】集電部材１０が、セル３０のセル長さ方向Ｈに延設された一対の保持部材１０ａと、該一対の保持部材１０ａに、セル長さ方向Ｈに所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯１０ｂと、該連結帯１０ｂに複数設けられセル長さ方向Ｈに延設された複数の接合帯１０ｃとを具備し、保持部材は、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２とを具備し、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２に折曲部２５を形成し、連結帯１０ｂ及び接合帯１０ｃが対向する燃料電池セル３０の平坦側面に交互に接合した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セル間にそれぞれ集電部材を介装し、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体電解質形燃料電池は、収容ケース内にセルスタックが配設されて構成されている。セルスタックは、複数の燃料電池セルを一列に配列させ隣り合う燃料電池セル同士の間に集電部材を設けることにより燃料電池セル同士を電気的に接続している。
【０００３】
従来の集電部材は、比較的剛性のある構造であったが、燃料電池セルの熱応力等による反り変形に対する追従性がなく集電部材と燃料電池セルとの接着部が剥離しやすかったため、弾性を有する比較的柔軟な構造の集電部材が用いられるようになった。
【０００４】
図８は、比較的柔軟な構造をもつ集電部材の幾つかの従来例を示す平面図である。図８では、２つの燃料電池セル３０の間に従来の集電部材１０１〜１０３が挿入設置された状態を示している。概略的に示す燃料電池セル３０は、対向する一対の平坦側面を具備する柱状であり、ガス透過性のある導電性支持体３２の内部に軸方向に沿って複数の反応ガス通路３１が穿設されている。反応ガス通路３１には第１の反応ガスが供給される。
【０００５】
図示しないが、導電性支持体３２の一方の平坦側面上には内側電極、固体電解質、外側電極が順次積層され、他方の平坦側面上には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ（内側電極と導通）が積層されている。従って、集電部材１０１〜１０３は、一方の燃料電池セル３０の外側電極及び他方の燃料電池セル３０のインターコネクタに対して電気的に接触している。通常、集電部材と各燃料電池セルの平坦側面の間を導電性接着剤で接着することにより固着強度を高めると共に電気抵抗を低減している。なお、燃料電池セル３０の外側電極に対しては、その周囲から第２の反応ガスが供給される。従って、集電部材は、燃料電池セルに対する第２の反応ガスの流れを妨げない構造とする必要がある。
【０００６】
図８(ａ)は、燃料電池セル３０の軸方向（長さ方向）に垂直な断面がＵ字形の集電部材１０１を示す図である。断面Ｕ字形の集電部材は弾性を有するため、熱変形等による燃料電池セル間の距離の変動に対する追従性は良好であり、それによる接着部の応力発生は低減された。しかしながら、燃料電池セルの長さ方向の伸縮に対する追従性は劣るために、軸方向についての応力低減効果は十分ではなかった。
【０００７】
図８(ｂ)は、同じく断面がＺ字形の集電部材１０２を示す図である。断面Ｚ字形の集電部材もまた弾性を有しており、燃料電池セル間の距離変動及び長さ方向の伸縮の双方に対して集電部材にかかる応力を低減する効果がある。しかしながら、Ｚ字形は、燃料電池セルの幅方向において非対称な形状であるため、燃料電池セル間の距離が広くなると集電部材が軸周りに回転するようにずれやすい。その結果、接着強度の低下や剥離を生じていた。
【０００８】
さらに、集電部材におけるＵ字形やＺ字形の構造の欠点は、曲げ加工の仕上がりすなわち曲げ角度にバラツキがあるために、平行であるべき部位（燃料電池セルの平坦側面に対して当接する部位）が平行とならない場合がある点である。そのような集電部材を燃料電池セル間に挿入して燃料電池セルスタックの両端に固定のための圧力を負荷しても、集電部材が十分に弾性変形しない。その結果、集電部材と燃料電池セルとの密着性が損なわれる。
【０００９】
図８(ｃ１)は、さらに別の集電部材１０３を示す図である。図８(ｃ２)は、その部分斜視図である。集電部材１０３は、断面が平坦な筒形状であり両端部１１３ａ、１１３ｂが接合された形状であるが、平坦な側面は、２枚の帯状片１１１、１１２が交互に突出して、それぞれが燃料電池セル３０の平坦側面に当接する。
【００１０】
特許文献１に開示された導電性の相互接続部材は、所定の間隔を空けた複数の面部材を燃料電池セル面に平行となるように２つのセル間に配置しており、各面部材に突出部分と窪み部分を加工することで通気性を確保している。
【００１１】
特許文献２に開示された集電部材は、燃料電池セルの長さ方向と平行に延びる１つの帯状体を中央に配置し、その両側長辺から複数の断面略Ｕ字状の集電片がセルの幅方向端部へ向かって突出した形態である。
【特許文献１】特表２００４−５０２２８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図８（ａ）、（ｂ）に示した集電部材１０１、１０２では、セル間に集電部材の一部が存在しており、セル間のガス流通を邪魔し、燃料電池セルの外側電極に反応ガスを十分に供給することができないという問題があった。
【００１３】
また、図８(ｃ１)及び(ｃ２)に示した集電部材１０３は、その中央部分は十分な弾性があり追従性が良好であるが、両端が長さ方向において完全に接合されているために軸方向の伸縮性が阻害される。
【００１４】
特許文献１の相互接続部材は、面部材に突出と窪みを設けた３次元構造であるため剛性部材に近く、セル間の距離変動及び長さ方向の伸縮のいずれについても追従性に劣ると考えられる。
【００１５】
特許文献２の集電部材も、軸方向に背骨のような帯状体が存在するために長さ方向の伸縮性が阻害される。
【００１６】
本発明は、セル間距離の変動及びセルの長さ方向の伸縮に対して十分に追従できる柔軟性を有し、かつセルの外側電極へ反応ガスを十分に供給できるセルスタック及び燃料電池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】
【００１７】
本発明のセルスタックは、対向する一対の平坦側面を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う前記燃料電池セル間を集電部材により電気的に接続したセルスタックにおいて、前記集電部材が、前記燃料電池セルのセル幅方向に所定間隔を置いて平行に、かつ前記燃料電池セルのセル長さ方向に延設された一対の保持部材と、該一対の保持部材に、前記セル長さ方向に所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯と、該連結帯に複数設けられ前記セル長さ方向に延設された前記燃料電池セルの平坦側面に接合する複数の接合帯とを具備するとともに、前記保持部材は、前記連結帯間が、一方の前記燃料電池セルの平坦側面から他方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第１傾斜部と、他方の前記燃料電池セルの平坦側面から一方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第２傾斜部とを具備し、前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部に折曲部を形成し、前記連結帯及び前記接合帯が対向する前記燃料電池セルの平坦側面に交互に接合していることを特徴とする。
【００１８】
このようなセルスタックでは、保持部材の第１傾斜部及び第２傾斜部に折曲部を形成したため、セル長さ方向への動きが強固に束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有する。
【００１９】
また、第１傾斜部と第２傾斜部により、対向する燃料電池セルの平坦側面同士の電気的接続が確保される一方、第１傾斜部と第２傾斜部はセル長さ方向に形成されるため、第１傾斜部と第２傾斜部を長く形成することができ、これにより燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性が確保される。
【００２０】
さらに、一方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、他方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、一対の保持部材とで、何ら遮るものがないガス通路が形成され、反応ガスの通気性が確保される。
【００２１】
即ち、ガス供給不足を顕著に生じさせない為にはセル間ピッチを大きくする必要があるが、セル間ピッチを大きくすると発電モジュールが大型化し、エネルギー効率の向上を阻害する要因となる。一方、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上するためには、セル間ピッチを小さくすることが望ましいが、セル間ピッチを小さくすると、図８（ｂ）に示すように、集電部材に、燃料電池セルの幅方向にセル間を横切る部分が形成される等の理由で、反応ガスの通気性が妨げられる。しかしながら、本発明では、集電部材の接合帯、保持部材との間には、セル間を横切るものがないガス通路が形成されるため、セル間ピッチを狭めても、反応ガスのガス通路を確実に形成できるため、通気性が確保され、この結果、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上できる。
【００２２】
また、本発明のセルスタックは、前記燃料電池セル間を前記セル長さ方向に流れるガスが、前記燃料電池セルの外側電極側に向けて流れるように、前記接合帯のガス下流側が前記外側電極側に向けて折曲されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、ガス通路を通過する反応ガスを、十分に外側電極側に向けて供給することができ、発電性能を向上できる。
【００２３】
本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納ケース内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、小型化及びエネルギー効率を向上できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のセルスタックでは、集電部材のセル長さ方向への動きが強固に束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有するとともに、集電部材は燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性を確保でき、しかも、一方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、他方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、一対の保持部材とで、何ら遮るものがないガス通路を形成でき、反応ガスの通気性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明のセルスタックの一部を示す一部断面図であり、隣り合う２つの燃料電池セル３０とその間に設けられた集電部材１０の一実施形態を示している。図２は、図１（ａ）のａ−ａ線に沿った方向から見た平面図、図３は図１の側面図、図４は集電部材の斜視図である。
【００２６】
概略的に示す燃料電池セル３０は中空平板状であり、対向する一対の平坦側面を具備する扁平な柱状である。図１の紙面に垂直な方向が燃料電池セル３０の軸方向（長さ方向Ｈ）であり、図１の上下方向を燃料電池セル３０の幅方向Ｂとする。ガス透過性のある導電性支持体３２の内部には、軸方向に沿って複数の反応ガス通路３１が穿設されている。反応ガス通路３１には第１の反応ガス（例えば水素リッチな燃料ガス）が供給される。
【００２７】
図１には図示しないが、導電性支持体３２の一方の平坦側面上には燃料極層、固体電解質、酸素極層の薄膜層が順次積層され、他方の平坦側面上には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ（燃料極層と導通）、酸素極材料層の薄膜層が積層され、酸素極層、酸素極材料層が、燃料電池セルの平坦側面とされている。セルスタックは、複数の燃料電池セル３０を一列に配列させて構成され、図１の左右方向がセルの配列方向となる。隣り合う２つの燃料電池セル３０間において集電部材１０は、一方の燃料電池セルの平坦側面である酸素極層と、他方の燃料電池セルの平坦側面である酸素極材料層（インターコネクタ）に対して電気的に接続されている。
【００２８】
セルスタックの中の隣り合う任意の２つの燃料電池セル３０を、説明の便宜上、第１燃料電池セル（または単に「第１セル」）及び第２燃料電池セル（または単に「第２セル」）と称することとする。図１において、集電部材１０は、燃料電池セルのセル幅方向Ｂに所定間隔を置いて平行に、かつ燃料電池セルのセル長さ方向Ｈに延設された一対の保持部材１０ａと、該一対の保持部材１０ａに、セル長さ方向Ｈに所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯１０ｂと、該連結帯１０ｂに複数設けられセル長さ方向に延設された複数の接合帯１０ｃとを具備して構成されている。
【００２９】
即ち、第１セルの平坦側面に接合する連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃと、第１セルの一方の平坦側面から第２セルの他方の平坦側面へと傾斜して延びる保持部材１０ａの第１傾斜部１０ａ１と、第２セルの他方の平坦側面から第１セルの一方の平坦側面へと傾斜して延びる第２傾斜部１０ａ２と、第２セルの平坦側面に接合する連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃとを具備して構成されている。
【００３０】
保持部材１０ａには、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２とが交互に形成され、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２との間には、一対の保持部材１０ａ間に連結帯１０ｂが掛け渡され、連結帯１０の両端が保持部材１０ａに連結されている。この第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２には、図３に示すように、それぞれ２箇所ずつ折曲部２５が形成され、これにより、燃料電池セルの厚み方向への集電部材１０の伸縮を容易に行うことができるとともに、長さ方向への伸縮も容易となる。
【００３１】
接合帯１０ｃは、セル長さ方向に延設されており、その形状は矩形状とされている。また、対向する一対の保持部材１０ａの両端同士は、長さ方向端部材１０ｄでそれぞれ連結され、保持部材１０ａ及び長さ方向端部材１０ｄにより矩形枠を構成している。長さ方向端部材１０ｄには、連結帯１０ｂに向けて接合帯１０ｃが形成されている。集電部材１０は、一枚の合金板をプレス加工して形成されている。
【００３２】
本発明では、集電部材１０の保持部材１０ａの幅、厚みは適宜設定されるが、幅を細くし、または厚みを薄くすることにより、燃料電池セルの厚み方向への柔軟性、長さ方向への柔軟性が大きくなる。また、保持部材１０ａの折曲部の形成数、折曲部の角度等によっても燃料電池セルの厚み方向への柔軟性、長さ方向への柔軟性を変更できる。
【００３３】
また、接合帯１０ｃの形状は図示のような帯状が好適であるが、その帯幅及び厚さは適宜決定され、各連結帯１０ｂの接合帯１０ｃが必ずしも等しくなくともよい。さらに、燃料電池セルの長さ方向の場所によって、接合帯１０ｃの帯幅、帯長さを変えてもよい。
【００３４】
本発明のセルスタックでは、接合帯１０ｃが燃料電池セルの長さ方向Ｈに分割して、燃料電池セル３０の平坦側面に接合され、長さ方向全体に亘って接合されていないため、また、保持部材１０ａの第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２に折曲部２５を形成したため、セル長さ方向Ｈへの動きが束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有する。
【００３５】
また、第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２により、対向する燃料電池セル３０の電気的接続が確保される一方、第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２はセル長さ方向に形成されるため、従来のように、セルの幅に規制されることなく、第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２を長く形成することができ、これにより燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性（燃料電池セルの厚み方向への追従性）が確保される。
【００３６】
さらに、図１に示すように、一方の燃料電池セル３０に接合する接合帯１０ｃと、他方の燃料電池セル３０に接合する集電部材１０の接合帯１０ｃと、一対の保持部材１０ａとで、燃料電池セル間をセル長さ方向Ｈに貫く、何ら遮るものがない反応ガス通路Ａが形成され、反応ガスの通気性が確保される。これにより、セル間ピッチを狭めても、反応ガスのガス通路Ａを確実に形成できるため通気性が確保され、この結果、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上できる。
【００３７】
図１の（ｂ）、図３の（ｂ）は、本発明のセルスタックの他の形態を示すもので、図１の（ｂ）、図３の（ｂ）に示すように、燃料電池セル３０間をセル長さ方向Ｈに流れる酸素含有ガスを、燃料電池セル３０の酸素極層側に向けて流れるように、接合帯１０ｃのガス下流側が酸素極層側に向けて折曲され、折曲部１０ｃ１が形成されている。これにより、ガス通路Ａを通過する酸素含有ガスを、十分に酸素極層側に向けて供給することができ、発電性能を向上できる。
【００３８】
図５、６は、集電部材１０の燃料電池セル３０への接合構造について詳細に示すもので、集電部材１０は、Ｃｒを含有する合金からなる耐熱性合金（以下、集電基材という。）２０１の表面に、Ｚｎを含む材料からなる表面層２０２を設けて構成されている。ここで、表面層２０２は、Ｃｒ拡散防止層２０２ａと被覆層２０２ｂとがこの順に集電基材２０１の表面に積層されるように構成される。
【００３９】
集電基材２０１としては、導電性及び耐熱性の高いＣｒを１０〜３０質量％含有する合金、例えばＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金等が用いられる。また、Ｃｒ拡散防止層２０２ａは、スピネル構造、コランダム構造、ウルツ鉱構造及び岩塩構造のうち少なくとも一種、またはこれらと類似の構造を持つ金属酸化物である。特に、Ｃｒ拡散防止層２０２ａはＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなるもので、Ｆｅ、Ｃｒ等の元素を含有してもよい。Ｃｒ拡散防止層２０２ａはＺｎ−Ｍｎ系スピネル、例えば、（Ｚｎ，Ｍｎ）Ｍｎ２Ｏ４から形成される。ＺｎとＭｎを含む金属酸化物はＣｒを固溶しにくいために、Ｃｒの拡散を抑制する効果を有している。
【００４０】
Ｃｒ拡散防止層２０２ａと被覆層２０２ｂとの界面に元素として亜鉛を含有する導電層が設けられているのでもよい。この導電層はＺｎＯを含有するものであり、純粋なＺｎＯは絶縁体であるが、Ｚｎ１＋δＯは陽イオン過剰型のｎ型半導体となり、価数の高い不純物元素を添加することによっても、ｎ型の不純物半導体となる。ここで、ＺｎＯ中のＺｎは、＋２価のイオンとなっているため、＋３価以上のイオンとなる金属元素を固溶させることによって導電性が付与される。＋３価以上のイオンとなる金属元素としては、特にＡｌ、Ｆｅが望ましい。Ａｌ、Ｆｅを固溶させた酸化亜鉛からなる導電層は、大気中、発電温度近傍５５０℃〜９００℃で、１Ｓ・ｃｍ−１以上の導電率を有することが好ましい。
【００４１】
被覆層２０２ｂは、燃料電池セルの酸素極層を構成する成分の少なくとも一部を含有するペロブスカイト構造の複合酸化物及び亜鉛酸化物を含有するもので、具体的にはＬａとＦｅ又はＭｎとを含有するペロブスカイト型複合酸化物及び亜鉛酸化物を含有する。さらに具体的には、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト型複合酸化物、例えば、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯから構成することができる。
【００４２】
このような被覆層２０２ｂは、酸素極層に用いられるＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、Ｃｒ拡散防止層２０２ａ、導電層に用いられるＺｎＯを含有するため、被覆層２０２ｂが酸素極層と集電基材のＣｒ拡散防止層２０２ａ、導電層との中間の熱膨張係数を有することになり、燃料電池セル３０と集電部材１０との接合信頼性を向上でき、電圧低下の少ない長期信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００４３】
集電基材２０１中のＣｒは気化し外部に拡散してしまうので、Ｃｒ拡散防止層２０２ａは、集電基材２０１の少なくとも表面全面を覆うように、緻密に設けることが好ましい。
【００４４】
Ｃｒ拡散防止層２０２ａは２μｍ以下、特には１μｍ以下であれば、ある程度絶縁性であっても集電部材１０としての導電性に影響を与えることがない。
【００４５】
本発明のＣｒ拡散防止層２０２ａは、ディッピングによる場合は、Ｚｎ又はＺｎＯを含有するペースト中に集電基材２０１を浸漬し、熱処理により、或いは発電時の加熱により形成することができる。
【００４６】
即ち、Ｃｒ拡散防止層２０２ａがＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなる場合には、例えば、Ｍｎを含有する集電基材２０１を用いて、これを、例えば、Ｚｎ又はＺｎＯとＦｅ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３とを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、集電基材２０１表面にＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａが形成され、このＣｒ拡散防止層２０２ａ表面にＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層を形成することができる。
【００４７】
また、Ｍｎを含有しない集電基材２０１を用いる場合、これを、例えば、Ｚｎ又はＺｎＯと、Ｆｅ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３と、Ｍｎを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａが形成され、ＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層を形成することもできる。
【００４８】
さらに、集電基材２０１にＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａを形成した後、Ｃｒ拡散防止層２０２ａが形成された集電基材２０１を、例えば、Ｚｎ又はＺｎＯと、Ｆｅ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３とを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａ上に、ＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層を形成することもできる。
【００４９】
導電層の表面に被覆層２０２ｂを形成する場合には、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト構造、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯとを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより形成することができる。
【００５０】
尚、Ｃｒ拡散防止層２０２ａの表面に被覆層２０２ｂを形成する場合には、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルを含有するペースト中に集電基材２０１を浸漬し、熱処理してＣｒ拡散防止層２０２ａを形成した後、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト構造、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯとを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより形成することができる。
【００５１】
Ｃｒ拡散防止層２０２ａは、ディッピング（Ｃｒ拡散防止層用の亜鉛を含有する液中に集電基材を浸漬する浸漬塗布法）に加え、メッキ、蒸着等の方法を用いて形成されるが、コスト的にはディッピングが望ましい。
【００５２】
導電層の厚みは、集電基材２０１の耐用時間にもよるが、ディッピングの場合、１〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍがより好ましい。厚さを５μｍ以上とすることにより、エアーの巻き込みなどによる空隙発生を防止できる。又、厚さを５０μｍ以下とすることにより、集電基材２０１との熱膨張差による内部応力を最小限に抑制できると共に、導電性の低下を抑制し、形成を容易にすることができる。
【００５３】
燃料電池セル３０は、図７に示すように、中空平板型であり、平板状の支持体３２と、平板状の支持体３２の周囲に設けられた燃料極層３０ａ、固体電解質層３０ｂ、酸素極層３０ｃ、インターコネクタ３０ｄ、及び酸素極材料層３０ｅとを備え、支持体３２は、さらに内部に、燃料電池セル１の積層方向に交わる方向（セル長さ方向）に伸びた複数の燃料ガス通路３１を有するように構成される。尚、図１においては、セルの一方の平坦側面として酸素極層３０ｃが、他方の平坦側面として酸素極材料層３０ｅが形成された状態を示した。
【００５４】
支持体３２は、例えば、多孔質かつ導電性の材料からなり、図７に示すように横断面が平坦側面と平坦側面の両端の弧状部とからなっている。対向する平坦側面の一方とその両端の弧状部を覆うように多孔質の燃料極層３０ａが設けられており、この燃料極層３０ａを覆うように、緻密質な固体電解質層３０ｂが積層されており、さらに、この固体電解質層３０ｂの上には、燃料極層３０ａに対向するように、多孔質の導電性セラミックからなる酸素極層３０ｃが積層されている。また、支持基板３２の電極層３０ａ、３０ｃが設けられた面に対向する平坦側面には、緻密なインターコネクタ３０ｄが形成されている。このインターコネクタ３０ｄの表面には、酸素極材料からなる酸素極材料層３０ｅが形成されている。ここで、酸素極材料は、例えばペロブスカイト構造のＬａ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等の酸化物からなる。ただし、この酸素極材料層３０ｅについては必ずしも形成する必要はない。燃料極層３０ａ及び固体電解質層３０ｂは、図７に示すように、インターコネクタ３０ｄの両サイドまで延び、支持体３２の表面が外部に露出しないように構成されている。
【００５５】
このような構造の燃料電池セル３０は、燃料極層３０ａの酸素極層３０ｃと対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層３０ｃの外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体３２内のガス通路３１に燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層３０ｃで下記の式（１）の電極反応が生じ、また燃料極層３０ａの燃料極となる部分では例えば下記の式（２）の電極反応が生じることによって発電する。
【００５６】
酸素極： １／２Ｏ２＋２ｅ− → Ｏ２− （固体電解質） （１）
燃料極： Ｏ２− （固体電解質）＋ Ｈ２ → Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （２）
かかる電極反応によって発生した電流は、支持体３２に取り付けられているインターコネクタ３０ｄを介して集電される。
【００５７】
そして、このような複数の燃料電池セル３０の間には、図１、３に示すように、集電部材１０が介装されて電気的に接続され、これによりセルスタックが構成されている。即ち、集電部材１０の連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃが、一方の燃料電池セル３０の酸素極層３０ｃに接合されると共に、隣設する他方の燃料電池セル３０の酸素極材料層３０ｅに接合され、これにより、複数の燃料電池セル３０が電気的に直列に接続され、セルスタックが構成されている。
【００５８】
酸素極層３０ｃは、固体電解質層３０ｂ上に形成された第１酸素極層３０ｃ１と、該第１酸素極層３０ｃ１上に設けられた第２酸素極層３０ｃ２とを具備して構成されている。第１酸素極層３０ｃ１は第２酸素極層３０ｃ２よりも微粒な導電性セラミック粒子から形成されており、板状の集電部材１０（連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃ）の一方側主面が第１酸素極層３０ｃ１に接合し、集電部材１０（連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃ）の側面が第２酸素極層３０ｃ２に接合している。
【００５９】
第１酸素極層３０ｃ１は、平均粒径が１μｍ以下の導電性セラミック粒子から構成され、厚み２０μｍ以下とされている。また、第１酸素極層３０ｃ１の緻密度は、第２酸素極層３０ｃ２よりも高く設定されており、言い換えれば、第１酸素極層３０ｃ１の気孔率は、第２酸素極層３０ｃ２よりも低くされている。
【００６０】
このようなセルスタックでは、緻密な固体電解質層３０ｂ上に微粒な導電性セラミック粒子からなる第１酸素極層３０ｃ１が強固に接合しており、このような第１酸素極層３０ｃ１上に集電部材１０の主面が接合されているため、集電部材１０の固体電解質層３０ｂへの接合強度を向上できる。尚、酸素極層３０ｃとしての厚みが不足する場合には、第１酸素極層３０ｃ１と第２酸素極層３０ｃ２との間に、第２酸素極層３０ｃ２と同一材料からなる中間層を形成することもできる。
【００６１】
また、第２酸素極層３０ｃ２に集電部材の側面が接合しており、これにより、さらに板状集電部材の固体電解質層への接合強度を向上できる。尚、集電部材の側面には、第２酸素極層３０ｃ２のメニスカスが形成されているが、図６では簡略化して記載した。このメニスカスによっても、集電部材１０の酸素極層３０ｃへの接合強度を向上できる。また、図６では、理解を容易にするため、集電部材１０の厚みを誇張して記載した。
【００６２】
第１酸素極層３０ｃ１、第２酸素極層３０ｃ２としては、Ｌａ及びＦｅを含有するペロブスカイト型複合酸化物、例えばペロブスカイト構造の（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３を用いることができ、この複合酸化物を用いることにより、第１酸素極層３０ｃ１が多少緻密質であったとしても、酸素極としての機能を有することができる。
【００６３】
また、集電部材１０は、一方の燃料電池セル３０の酸素極層３０ｃに接合されるが、隣設する他方の燃料電池セル３０の酸素極材料層３０ｅにも接合される。集電部材１０の酸素極材料層３０ｅへの接合は、酸素極材料層３０ｅ表面に形成された、第２酸素極層３０ｃ２と同様の接合層４５に集電部材１０を埋設し、その側面を接合層４５に接合することにより行われる。
【００６４】
ここで、各部材の熱膨張率について説明すると、７５０℃において、燃料電池セルの酸素極材料として一般に用いられるＬａＦｅＯ３系の熱膨張率は１５〜１７×１０−６／℃、ＬａＭｎＯ３系は１０〜１１×１０−６／℃であり、インターコネクタとして用いられるＬａＣｒＯ３系は１４×１０−６／℃程度であり、集電部材１０については、集電基材２０１は１１×１０−６／℃程度、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａ、ＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層は６〜８×１０−６／℃である。
【００６５】
従って、燃料電池セル３０と集電部材１０を接合した場合には、その界面に熱膨張差に基づく応力が発生するが、被覆層２０２ｂが、酸素極層３０ｃの形成等に用いられるペロブスカイト構造、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯとを含有するため、その比率を変化させることにより、酸素極層３０ｃと集電基材２０１との中間の所望の熱膨張率を有することができ、燃料電池セル３０と集電部材１０の接合信頼性を向上することができる。
【００６６】
セルスタックの製造方法について説明する。先ず、燃料電池セルの固体電解質層の表面に、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等の空気極材料を含有するスラリーをスクリーン印刷にて塗布し、所定温度で焼き付けて第１酸素極層３０ｃ１を形成する。この後、第１酸素極層３０ｃ１の表面、及びインターコネクタ３０ｄの酸素極材料層３０ｅ表面に、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等の空気極材料を含有するスラリーをスクリーン印刷にて塗布し、この状態で、複数の燃料電池セル間に集電部材１０を配置し、両側から押圧することにより、集電部材１０が第１酸素極層３０ｃ１に当接するとともに、第２酸素極層、接合層の塗布膜中に埋設され、この状態で、第１酸素極層３０ｃ１の焼き付け温度よりも低い温度で、第２酸素極層、接合層を焼き付け、本発明のセルスタックを形成することができる。
【００６７】
このようなセルスタックは、図示しないが燃料ガスが供給されるマニホールドに配置され、マニホールド内に供給された燃料ガスが燃料電池セル３０のガス通路３１内を通過していくことになる。
【００６８】
燃料電池は、上記のセルスタックを収納容器内に収容し、この収納容器に、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス導入管及び空気を供給するための空気導入管を配設することにより構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明のセルスタックの一部を示す断面図であり、図２のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図２】図１（ａ）のａ−ａ線に沿った平面図である。
【図３】図１の側面図である。
【図４】集電部材の斜視図である。
【図５】集電部材の一部拡大断面図である。
【図６】燃料電池セルに集電部材が接合されている状態を示すセルスタックの縦断面図である。
【図７】燃料電池セルの断面斜視図である。
【図８】従来のセルスタックを示す説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 集電部材
１０ａ 保持部材
１０ｂ 連結帯
１０ｃ 接合帯
３０ 燃料電池セル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セル間にそれぞれ集電部材を介装し、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体電解質形燃料電池は、収容ケース内にセルスタックが配設されて構成されている。セルスタックは、複数の燃料電池セルを一列に配列させ隣り合う燃料電池セル同士の間に集電部材を設けることにより燃料電池セル同士を電気的に接続している。
【０００３】
従来の集電部材は、比較的剛性のある構造であったが、燃料電池セルの熱応力等による反り変形に対する追従性がなく集電部材と燃料電池セルとの接着部が剥離しやすかったため、弾性を有する比較的柔軟な構造の集電部材が用いられるようになった。
【０００４】
図８は、比較的柔軟な構造をもつ集電部材の幾つかの従来例を示す平面図である。図８では、２つの燃料電池セル３０の間に従来の集電部材１０１〜１０３が挿入設置された状態を示している。概略的に示す燃料電池セル３０は、対向する一対の平坦側面を具備する柱状であり、ガス透過性のある導電性支持体３２の内部に軸方向に沿って複数の反応ガス通路３１が穿設されている。反応ガス通路３１には第１の反応ガスが供給される。
【０００５】
図示しないが、導電性支持体３２の一方の平坦側面上には内側電極、固体電解質、外側電極が順次積層され、他方の平坦側面上には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ（内側電極と導通）が積層されている。従って、集電部材１０１〜１０３は、一方の燃料電池セル３０の外側電極及び他方の燃料電池セル３０のインターコネクタに対して電気的に接触している。通常、集電部材と各燃料電池セルの平坦側面の間を導電性接着剤で接着することにより固着強度を高めると共に電気抵抗を低減している。なお、燃料電池セル３０の外側電極に対しては、その周囲から第２の反応ガスが供給される。従って、集電部材は、燃料電池セルに対する第２の反応ガスの流れを妨げない構造とする必要がある。
【０００６】
図８(ａ)は、燃料電池セル３０の軸方向（長さ方向）に垂直な断面がＵ字形の集電部材１０１を示す図である。断面Ｕ字形の集電部材は弾性を有するため、熱変形等による燃料電池セル間の距離の変動に対する追従性は良好であり、それによる接着部の応力発生は低減された。しかしながら、燃料電池セルの長さ方向の伸縮に対する追従性は劣るために、軸方向についての応力低減効果は十分ではなかった。
【０００７】
図８(ｂ)は、同じく断面がＺ字形の集電部材１０２を示す図である。断面Ｚ字形の集電部材もまた弾性を有しており、燃料電池セル間の距離変動及び長さ方向の伸縮の双方に対して集電部材にかかる応力を低減する効果がある。しかしながら、Ｚ字形は、燃料電池セルの幅方向において非対称な形状であるため、燃料電池セル間の距離が広くなると集電部材が軸周りに回転するようにずれやすい。その結果、接着強度の低下や剥離を生じていた。
【０００８】
さらに、集電部材におけるＵ字形やＺ字形の構造の欠点は、曲げ加工の仕上がりすなわち曲げ角度にバラツキがあるために、平行であるべき部位（燃料電池セルの平坦側面に対して当接する部位）が平行とならない場合がある点である。そのような集電部材を燃料電池セル間に挿入して燃料電池セルスタックの両端に固定のための圧力を負荷しても、集電部材が十分に弾性変形しない。その結果、集電部材と燃料電池セルとの密着性が損なわれる。
【０００９】
図８(ｃ１)は、さらに別の集電部材１０３を示す図である。図８(ｃ２)は、その部分斜視図である。集電部材１０３は、断面が平坦な筒形状であり両端部１１３ａ、１１３ｂが接合された形状であるが、平坦な側面は、２枚の帯状片１１１、１１２が交互に突出して、それぞれが燃料電池セル３０の平坦側面に当接する。
【００１０】
特許文献１に開示された導電性の相互接続部材は、所定の間隔を空けた複数の面部材を燃料電池セル面に平行となるように２つのセル間に配置しており、各面部材に突出部分と窪み部分を加工することで通気性を確保している。
【００１１】
特許文献２に開示された集電部材は、燃料電池セルの長さ方向と平行に延びる１つの帯状体を中央に配置し、その両側長辺から複数の断面略Ｕ字状の集電片がセルの幅方向端部へ向かって突出した形態である。
【特許文献１】特表２００４−５０２２８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図８（ａ）、（ｂ）に示した集電部材１０１、１０２では、セル間に集電部材の一部が存在しており、セル間のガス流通を邪魔し、燃料電池セルの外側電極に反応ガスを十分に供給することができないという問題があった。
【００１３】
また、図８(ｃ１)及び(ｃ２)に示した集電部材１０３は、その中央部分は十分な弾性があり追従性が良好であるが、両端が長さ方向において完全に接合されているために軸方向の伸縮性が阻害される。
【００１４】
特許文献１の相互接続部材は、面部材に突出と窪みを設けた３次元構造であるため剛性部材に近く、セル間の距離変動及び長さ方向の伸縮のいずれについても追従性に劣ると考えられる。
【００１５】
特許文献２の集電部材も、軸方向に背骨のような帯状体が存在するために長さ方向の伸縮性が阻害される。
【００１６】
本発明は、セル間距離の変動及びセルの長さ方向の伸縮に対して十分に追従できる柔軟性を有し、かつセルの外側電極へ反応ガスを十分に供給できるセルスタック及び燃料電池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】
【００１７】
本発明のセルスタックは、対向する一対の平坦側面を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う前記燃料電池セル間を集電部材により電気的に接続したセルスタックにおいて、前記集電部材が、前記燃料電池セルのセル幅方向に所定間隔を置いて平行に、かつ前記燃料電池セルのセル長さ方向に延設された一対の保持部材と、該一対の保持部材に、前記セル長さ方向に所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯と、該連結帯に複数設けられ前記セル長さ方向に延設された前記燃料電池セルの平坦側面に接合する複数の接合帯とを具備するとともに、前記保持部材は、前記連結帯間が、一方の前記燃料電池セルの平坦側面から他方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第１傾斜部と、他方の前記燃料電池セルの平坦側面から一方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第２傾斜部とを具備し、前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部に折曲部を形成し、前記連結帯及び前記接合帯が対向する前記燃料電池セルの平坦側面に交互に接合していることを特徴とする。
【００１８】
このようなセルスタックでは、保持部材の第１傾斜部及び第２傾斜部に折曲部を形成したため、セル長さ方向への動きが強固に束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有する。
【００１９】
また、第１傾斜部と第２傾斜部により、対向する燃料電池セルの平坦側面同士の電気的接続が確保される一方、第１傾斜部と第２傾斜部はセル長さ方向に形成されるため、第１傾斜部と第２傾斜部を長く形成することができ、これにより燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性が確保される。
【００２０】
さらに、一方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、他方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、一対の保持部材とで、何ら遮るものがないガス通路が形成され、反応ガスの通気性が確保される。
【００２１】
即ち、ガス供給不足を顕著に生じさせない為にはセル間ピッチを大きくする必要があるが、セル間ピッチを大きくすると発電モジュールが大型化し、エネルギー効率の向上を阻害する要因となる。一方、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上するためには、セル間ピッチを小さくすることが望ましいが、セル間ピッチを小さくすると、図８（ｂ）に示すように、集電部材に、燃料電池セルの幅方向にセル間を横切る部分が形成される等の理由で、反応ガスの通気性が妨げられる。しかしながら、本発明では、集電部材の接合帯、保持部材との間には、セル間を横切るものがないガス通路が形成されるため、セル間ピッチを狭めても、反応ガスのガス通路を確実に形成できるため、通気性が確保され、この結果、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上できる。
【００２２】
また、本発明のセルスタックは、前記燃料電池セル間を前記セル長さ方向に流れるガスが、前記燃料電池セルの外側電極側に向けて流れるように、前記接合帯のガス下流側が前記外側電極側に向けて折曲されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、ガス通路を通過する反応ガスを、十分に外側電極側に向けて供給することができ、発電性能を向上できる。
【００２３】
本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納ケース内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、小型化及びエネルギー効率を向上できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のセルスタックでは、集電部材のセル長さ方向への動きが強固に束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有するとともに、集電部材は燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性を確保でき、しかも、一方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、他方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、一対の保持部材とで、何ら遮るものがないガス通路を形成でき、反応ガスの通気性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明のセルスタックの一部を示す一部断面図であり、隣り合う２つの燃料電池セル３０とその間に設けられた集電部材１０の一実施形態を示している。図２は、図１（ａ）のａ−ａ線に沿った方向から見た平面図、図３は図１の側面図、図４は集電部材の斜視図である。
【００２６】
概略的に示す燃料電池セル３０は中空平板状であり、対向する一対の平坦側面を具備する扁平な柱状である。図１の紙面に垂直な方向が燃料電池セル３０の軸方向（長さ方向Ｈ）であり、図１の上下方向を燃料電池セル３０の幅方向Ｂとする。ガス透過性のある導電性支持体３２の内部には、軸方向に沿って複数の反応ガス通路３１が穿設されている。反応ガス通路３１には第１の反応ガス（例えば水素リッチな燃料ガス）が供給される。
【００２７】
図１には図示しないが、導電性支持体３２の一方の平坦側面上には燃料極層、固体電解質、酸素極層の薄膜層が順次積層され、他方の平坦側面上には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ（燃料極層と導通）、酸素極材料層の薄膜層が積層され、酸素極層、酸素極材料層が、燃料電池セルの平坦側面とされている。セルスタックは、複数の燃料電池セル３０を一列に配列させて構成され、図１の左右方向がセルの配列方向となる。隣り合う２つの燃料電池セル３０間において集電部材１０は、一方の燃料電池セルの平坦側面である酸素極層と、他方の燃料電池セルの平坦側面である酸素極材料層（インターコネクタ）に対して電気的に接続されている。
【００２８】
セルスタックの中の隣り合う任意の２つの燃料電池セル３０を、説明の便宜上、第１燃料電池セル（または単に「第１セル」）及び第２燃料電池セル（または単に「第２セル」）と称することとする。図１において、集電部材１０は、燃料電池セルのセル幅方向Ｂに所定間隔を置いて平行に、かつ燃料電池セルのセル長さ方向Ｈに延設された一対の保持部材１０ａと、該一対の保持部材１０ａに、セル長さ方向Ｈに所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯１０ｂと、該連結帯１０ｂに複数設けられセル長さ方向に延設された複数の接合帯１０ｃとを具備して構成されている。
【００２９】
即ち、第１セルの平坦側面に接合する連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃと、第１セルの一方の平坦側面から第２セルの他方の平坦側面へと傾斜して延びる保持部材１０ａの第１傾斜部１０ａ１と、第２セルの他方の平坦側面から第１セルの一方の平坦側面へと傾斜して延びる第２傾斜部１０ａ２と、第２セルの平坦側面に接合する連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃとを具備して構成されている。
【００３０】
保持部材１０ａには、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２とが交互に形成され、第１傾斜部１０ａ１と第２傾斜部１０ａ２との間には、一対の保持部材１０ａ間に連結帯１０ｂが掛け渡され、連結帯１０の両端が保持部材１０ａに連結されている。この第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２には、図３に示すように、それぞれ２箇所ずつ折曲部２５が形成され、これにより、燃料電池セルの厚み方向への集電部材１０の伸縮を容易に行うことができるとともに、長さ方向への伸縮も容易となる。
【００３１】
接合帯１０ｃは、セル長さ方向に延設されており、その形状は矩形状とされている。また、対向する一対の保持部材１０ａの両端同士は、長さ方向端部材１０ｄでそれぞれ連結され、保持部材１０ａ及び長さ方向端部材１０ｄにより矩形枠を構成している。長さ方向端部材１０ｄには、連結帯１０ｂに向けて接合帯１０ｃが形成されている。集電部材１０は、一枚の合金板をプレス加工して形成されている。
【００３２】
本発明では、集電部材１０の保持部材１０ａの幅、厚みは適宜設定されるが、幅を細くし、または厚みを薄くすることにより、燃料電池セルの厚み方向への柔軟性、長さ方向への柔軟性が大きくなる。また、保持部材１０ａの折曲部の形成数、折曲部の角度等によっても燃料電池セルの厚み方向への柔軟性、長さ方向への柔軟性を変更できる。
【００３３】
また、接合帯１０ｃの形状は図示のような帯状が好適であるが、その帯幅及び厚さは適宜決定され、各連結帯１０ｂの接合帯１０ｃが必ずしも等しくなくともよい。さらに、燃料電池セルの長さ方向の場所によって、接合帯１０ｃの帯幅、帯長さを変えてもよい。
【００３４】
本発明のセルスタックでは、接合帯１０ｃが燃料電池セルの長さ方向Ｈに分割して、燃料電池セル３０の平坦側面に接合され、長さ方向全体に亘って接合されていないため、また、保持部材１０ａの第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２に折曲部２５を形成したため、セル長さ方向Ｈへの動きが束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有する。
【００３５】
また、第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２により、対向する燃料電池セル３０の電気的接続が確保される一方、第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２はセル長さ方向に形成されるため、従来のように、セルの幅に規制されることなく、第１傾斜部１０ａ１及び第２傾斜部１０ａ２を長く形成することができ、これにより燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性（燃料電池セルの厚み方向への追従性）が確保される。
【００３６】
さらに、図１に示すように、一方の燃料電池セル３０に接合する接合帯１０ｃと、他方の燃料電池セル３０に接合する集電部材１０の接合帯１０ｃと、一対の保持部材１０ａとで、燃料電池セル間をセル長さ方向Ｈに貫く、何ら遮るものがない反応ガス通路Ａが形成され、反応ガスの通気性が確保される。これにより、セル間ピッチを狭めても、反応ガスのガス通路Ａを確実に形成できるため通気性が確保され、この結果、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上できる。
【００３７】
図１の（ｂ）、図３の（ｂ）は、本発明のセルスタックの他の形態を示すもので、図１の（ｂ）、図３の（ｂ）に示すように、燃料電池セル３０間をセル長さ方向Ｈに流れる酸素含有ガスを、燃料電池セル３０の酸素極層側に向けて流れるように、接合帯１０ｃのガス下流側が酸素極層側に向けて折曲され、折曲部１０ｃ１が形成されている。これにより、ガス通路Ａを通過する酸素含有ガスを、十分に酸素極層側に向けて供給することができ、発電性能を向上できる。
【００３８】
図５、６は、集電部材１０の燃料電池セル３０への接合構造について詳細に示すもので、集電部材１０は、Ｃｒを含有する合金からなる耐熱性合金（以下、集電基材という。）２０１の表面に、Ｚｎを含む材料からなる表面層２０２を設けて構成されている。ここで、表面層２０２は、Ｃｒ拡散防止層２０２ａと被覆層２０２ｂとがこの順に集電基材２０１の表面に積層されるように構成される。
【００３９】
集電基材２０１としては、導電性及び耐熱性の高いＣｒを１０〜３０質量％含有する合金、例えばＦｅ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金等が用いられる。また、Ｃｒ拡散防止層２０２ａは、スピネル構造、コランダム構造、ウルツ鉱構造及び岩塩構造のうち少なくとも一種、またはこれらと類似の構造を持つ金属酸化物である。特に、Ｃｒ拡散防止層２０２ａはＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなるもので、Ｆｅ、Ｃｒ等の元素を含有してもよい。Ｃｒ拡散防止層２０２ａはＺｎ−Ｍｎ系スピネル、例えば、（Ｚｎ，Ｍｎ）Ｍｎ２Ｏ４から形成される。ＺｎとＭｎを含む金属酸化物はＣｒを固溶しにくいために、Ｃｒの拡散を抑制する効果を有している。
【００４０】
Ｃｒ拡散防止層２０２ａと被覆層２０２ｂとの界面に元素として亜鉛を含有する導電層が設けられているのでもよい。この導電層はＺｎＯを含有するものであり、純粋なＺｎＯは絶縁体であるが、Ｚｎ１＋δＯは陽イオン過剰型のｎ型半導体となり、価数の高い不純物元素を添加することによっても、ｎ型の不純物半導体となる。ここで、ＺｎＯ中のＺｎは、＋２価のイオンとなっているため、＋３価以上のイオンとなる金属元素を固溶させることによって導電性が付与される。＋３価以上のイオンとなる金属元素としては、特にＡｌ、Ｆｅが望ましい。Ａｌ、Ｆｅを固溶させた酸化亜鉛からなる導電層は、大気中、発電温度近傍５５０℃〜９００℃で、１Ｓ・ｃｍ−１以上の導電率を有することが好ましい。
【００４１】
被覆層２０２ｂは、燃料電池セルの酸素極層を構成する成分の少なくとも一部を含有するペロブスカイト構造の複合酸化物及び亜鉛酸化物を含有するもので、具体的にはＬａとＦｅ又はＭｎとを含有するペロブスカイト型複合酸化物及び亜鉛酸化物を含有する。さらに具体的には、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト型複合酸化物、例えば、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯから構成することができる。
【００４２】
このような被覆層２０２ｂは、酸素極層に用いられるＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、Ｃｒ拡散防止層２０２ａ、導電層に用いられるＺｎＯを含有するため、被覆層２０２ｂが酸素極層と集電基材のＣｒ拡散防止層２０２ａ、導電層との中間の熱膨張係数を有することになり、燃料電池セル３０と集電部材１０との接合信頼性を向上でき、電圧低下の少ない長期信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。
【００４３】
集電基材２０１中のＣｒは気化し外部に拡散してしまうので、Ｃｒ拡散防止層２０２ａは、集電基材２０１の少なくとも表面全面を覆うように、緻密に設けることが好ましい。
【００４４】
Ｃｒ拡散防止層２０２ａは２μｍ以下、特には１μｍ以下であれば、ある程度絶縁性であっても集電部材１０としての導電性に影響を与えることがない。
【００４５】
本発明のＣｒ拡散防止層２０２ａは、ディッピングによる場合は、Ｚｎ又はＺｎＯを含有するペースト中に集電基材２０１を浸漬し、熱処理により、或いは発電時の加熱により形成することができる。
【００４６】
即ち、Ｃｒ拡散防止層２０２ａがＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなる場合には、例えば、Ｍｎを含有する集電基材２０１を用いて、これを、例えば、Ｚｎ又はＺｎＯとＦｅ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３とを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、集電基材２０１表面にＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａが形成され、このＣｒ拡散防止層２０２ａ表面にＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層を形成することができる。
【００４７】
また、Ｍｎを含有しない集電基材２０１を用いる場合、これを、例えば、Ｚｎ又はＺｎＯと、Ｆｅ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３と、Ｍｎを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａが形成され、ＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層を形成することもできる。
【００４８】
さらに、集電基材２０１にＺｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａを形成した後、Ｃｒ拡散防止層２０２ａが形成された集電基材２０１を、例えば、Ｚｎ又はＺｎＯと、Ｆｅ２Ｏ３又はＡｌ２Ｏ３とを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａ上に、ＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層を形成することもできる。
【００４９】
導電層の表面に被覆層２０２ｂを形成する場合には、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト構造、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯとを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより形成することができる。
【００５０】
尚、Ｃｒ拡散防止層２０２ａの表面に被覆層２０２ｂを形成する場合には、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルを含有するペースト中に集電基材２０１を浸漬し、熱処理してＣｒ拡散防止層２０２ａを形成した後、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト構造、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯとを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより形成することができる。
【００５１】
Ｃｒ拡散防止層２０２ａは、ディッピング（Ｃｒ拡散防止層用の亜鉛を含有する液中に集電基材を浸漬する浸漬塗布法）に加え、メッキ、蒸着等の方法を用いて形成されるが、コスト的にはディッピングが望ましい。
【００５２】
導電層の厚みは、集電基材２０１の耐用時間にもよるが、ディッピングの場合、１〜１００μｍが好ましく、５〜５０μｍがより好ましい。厚さを５μｍ以上とすることにより、エアーの巻き込みなどによる空隙発生を防止できる。又、厚さを５０μｍ以下とすることにより、集電基材２０１との熱膨張差による内部応力を最小限に抑制できると共に、導電性の低下を抑制し、形成を容易にすることができる。
【００５３】
燃料電池セル３０は、図７に示すように、中空平板型であり、平板状の支持体３２と、平板状の支持体３２の周囲に設けられた燃料極層３０ａ、固体電解質層３０ｂ、酸素極層３０ｃ、インターコネクタ３０ｄ、及び酸素極材料層３０ｅとを備え、支持体３２は、さらに内部に、燃料電池セル１の積層方向に交わる方向（セル長さ方向）に伸びた複数の燃料ガス通路３１を有するように構成される。尚、図１においては、セルの一方の平坦側面として酸素極層３０ｃが、他方の平坦側面として酸素極材料層３０ｅが形成された状態を示した。
【００５４】
支持体３２は、例えば、多孔質かつ導電性の材料からなり、図７に示すように横断面が平坦側面と平坦側面の両端の弧状部とからなっている。対向する平坦側面の一方とその両端の弧状部を覆うように多孔質の燃料極層３０ａが設けられており、この燃料極層３０ａを覆うように、緻密質な固体電解質層３０ｂが積層されており、さらに、この固体電解質層３０ｂの上には、燃料極層３０ａに対向するように、多孔質の導電性セラミックからなる酸素極層３０ｃが積層されている。また、支持基板３２の電極層３０ａ、３０ｃが設けられた面に対向する平坦側面には、緻密なインターコネクタ３０ｄが形成されている。このインターコネクタ３０ｄの表面には、酸素極材料からなる酸素極材料層３０ｅが形成されている。ここで、酸素極材料は、例えばペロブスカイト構造のＬａ（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等の酸化物からなる。ただし、この酸素極材料層３０ｅについては必ずしも形成する必要はない。燃料極層３０ａ及び固体電解質層３０ｂは、図７に示すように、インターコネクタ３０ｄの両サイドまで延び、支持体３２の表面が外部に露出しないように構成されている。
【００５５】
このような構造の燃料電池セル３０は、燃料極層３０ａの酸素極層３０ｃと対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層３０ｃの外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体３２内のガス通路３１に燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層３０ｃで下記の式（１）の電極反応が生じ、また燃料極層３０ａの燃料極となる部分では例えば下記の式（２）の電極反応が生じることによって発電する。
【００５６】
酸素極： １／２Ｏ２＋２ｅ− → Ｏ２− （固体電解質） （１）
燃料極： Ｏ２− （固体電解質）＋ Ｈ２ → Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （２）
かかる電極反応によって発生した電流は、支持体３２に取り付けられているインターコネクタ３０ｄを介して集電される。
【００５７】
そして、このような複数の燃料電池セル３０の間には、図１、３に示すように、集電部材１０が介装されて電気的に接続され、これによりセルスタックが構成されている。即ち、集電部材１０の連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃが、一方の燃料電池セル３０の酸素極層３０ｃに接合されると共に、隣設する他方の燃料電池セル３０の酸素極材料層３０ｅに接合され、これにより、複数の燃料電池セル３０が電気的に直列に接続され、セルスタックが構成されている。
【００５８】
酸素極層３０ｃは、固体電解質層３０ｂ上に形成された第１酸素極層３０ｃ１と、該第１酸素極層３０ｃ１上に設けられた第２酸素極層３０ｃ２とを具備して構成されている。第１酸素極層３０ｃ１は第２酸素極層３０ｃ２よりも微粒な導電性セラミック粒子から形成されており、板状の集電部材１０（連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃ）の一方側主面が第１酸素極層３０ｃ１に接合し、集電部材１０（連結帯１０ｂ、接合帯１０ｃ）の側面が第２酸素極層３０ｃ２に接合している。
【００５９】
第１酸素極層３０ｃ１は、平均粒径が１μｍ以下の導電性セラミック粒子から構成され、厚み２０μｍ以下とされている。また、第１酸素極層３０ｃ１の緻密度は、第２酸素極層３０ｃ２よりも高く設定されており、言い換えれば、第１酸素極層３０ｃ１の気孔率は、第２酸素極層３０ｃ２よりも低くされている。
【００６０】
このようなセルスタックでは、緻密な固体電解質層３０ｂ上に微粒な導電性セラミック粒子からなる第１酸素極層３０ｃ１が強固に接合しており、このような第１酸素極層３０ｃ１上に集電部材１０の主面が接合されているため、集電部材１０の固体電解質層３０ｂへの接合強度を向上できる。尚、酸素極層３０ｃとしての厚みが不足する場合には、第１酸素極層３０ｃ１と第２酸素極層３０ｃ２との間に、第２酸素極層３０ｃ２と同一材料からなる中間層を形成することもできる。
【００６１】
また、第２酸素極層３０ｃ２に集電部材の側面が接合しており、これにより、さらに板状集電部材の固体電解質層への接合強度を向上できる。尚、集電部材の側面には、第２酸素極層３０ｃ２のメニスカスが形成されているが、図６では簡略化して記載した。このメニスカスによっても、集電部材１０の酸素極層３０ｃへの接合強度を向上できる。また、図６では、理解を容易にするため、集電部材１０の厚みを誇張して記載した。
【００６２】
第１酸素極層３０ｃ１、第２酸素極層３０ｃ２としては、Ｌａ及びＦｅを含有するペロブスカイト型複合酸化物、例えばペロブスカイト構造の（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３を用いることができ、この複合酸化物を用いることにより、第１酸素極層３０ｃ１が多少緻密質であったとしても、酸素極としての機能を有することができる。
【００６３】
また、集電部材１０は、一方の燃料電池セル３０の酸素極層３０ｃに接合されるが、隣設する他方の燃料電池セル３０の酸素極材料層３０ｅにも接合される。集電部材１０の酸素極材料層３０ｅへの接合は、酸素極材料層３０ｅ表面に形成された、第２酸素極層３０ｃ２と同様の接合層４５に集電部材１０を埋設し、その側面を接合層４５に接合することにより行われる。
【００６４】
ここで、各部材の熱膨張率について説明すると、７５０℃において、燃料電池セルの酸素極材料として一般に用いられるＬａＦｅＯ３系の熱膨張率は１５〜１７×１０−６／℃、ＬａＭｎＯ３系は１０〜１１×１０−６／℃であり、インターコネクタとして用いられるＬａＣｒＯ３系は１４×１０−６／℃程度であり、集電部材１０については、集電基材２０１は１１×１０−６／℃程度、Ｚｎ−Ｍｎ系スピネルからなるＣｒ拡散防止層２０２ａ、ＺｎＯ中にＦｅ又はＡｌを含有する導電層は６〜８×１０−６／℃である。
【００６５】
従って、燃料電池セル３０と集電部材１０を接合した場合には、その界面に熱膨張差に基づく応力が発生するが、被覆層２０２ｂが、酸素極層３０ｃの形成等に用いられるペロブスカイト構造、ＬａＦｅＯ３系、ＬａＭｎＯ３系と、ＺｎＯとを含有するため、その比率を変化させることにより、酸素極層３０ｃと集電基材２０１との中間の所望の熱膨張率を有することができ、燃料電池セル３０と集電部材１０の接合信頼性を向上することができる。
【００６６】
セルスタックの製造方法について説明する。先ず、燃料電池セルの固体電解質層の表面に、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等の空気極材料を含有するスラリーをスクリーン印刷にて塗布し、所定温度で焼き付けて第１酸素極層３０ｃ１を形成する。この後、第１酸素極層３０ｃ１の表面、及びインターコネクタ３０ｄの酸素極材料層３０ｅ表面に、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等の空気極材料を含有するスラリーをスクリーン印刷にて塗布し、この状態で、複数の燃料電池セル間に集電部材１０を配置し、両側から押圧することにより、集電部材１０が第１酸素極層３０ｃ１に当接するとともに、第２酸素極層、接合層の塗布膜中に埋設され、この状態で、第１酸素極層３０ｃ１の焼き付け温度よりも低い温度で、第２酸素極層、接合層を焼き付け、本発明のセルスタックを形成することができる。
【００６７】
このようなセルスタックは、図示しないが燃料ガスが供給されるマニホールドに配置され、マニホールド内に供給された燃料ガスが燃料電池セル３０のガス通路３１内を通過していくことになる。
【００６８】
燃料電池は、上記のセルスタックを収納容器内に収容し、この収納容器に、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス導入管及び空気を供給するための空気導入管を配設することにより構成される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明のセルスタックの一部を示す断面図であり、図２のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図２】図１（ａ）のａ−ａ線に沿った平面図である。
【図３】図１の側面図である。
【図４】集電部材の斜視図である。
【図５】集電部材の一部拡大断面図である。
【図６】燃料電池セルに集電部材が接合されている状態を示すセルスタックの縦断面図である。
【図７】燃料電池セルの断面斜視図である。
【図８】従来のセルスタックを示す説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０ 集電部材
１０ａ 保持部材
１０ｂ 連結帯
１０ｃ 接合帯
３０ 燃料電池セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の平坦側面を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う前記燃料電池セル間を集電部材により電気的に接続したセルスタックにおいて、前記集電部材が、前記燃料電池セルのセル幅方向に所定間隔を置いて平行に、かつ前記燃料電池セルのセル長さ方向に延設された一対の保持部材と、該一対の保持部材に、前記セル長さ方向に所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯と、該連結帯に複数設けられ前記セル長さ方向に延設された前記燃料電池セルの平坦側面に接合する複数の接合帯とを具備するとともに、前記保持部材は、前記連結帯間が、一方の前記燃料電池セルの平坦側面から他方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第１傾斜部と、他方の前記燃料電池セルの平坦側面から一方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第２傾斜部とを具備し、前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部に折曲部を形成し、前記連結帯及び前記接合帯が対向する前記燃料電池セルの平坦側面に交互に接合していることを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
前記燃料電池セル間を前記セル長さ方向に流れるガスが、前記燃料電池セルの外側電極側に向けて流れるように、前記接合帯のガス下流側が前記外側電極側に向けて折曲されていることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセルスタックを収納ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
対向する一対の平坦側面を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う前記燃料電池セル間を集電部材により電気的に接続したセルスタックにおいて、前記集電部材が、前記燃料電池セルのセル幅方向に所定間隔を置いて平行に、かつ前記燃料電池セルのセル長さ方向に延設された一対の保持部材と、該一対の保持部材に、前記セル長さ方向に所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯と、該連結帯に複数設けられ前記セル長さ方向に延設された前記燃料電池セルの平坦側面に接合する複数の接合帯とを具備するとともに、前記保持部材は、前記連結帯間が、一方の前記燃料電池セルの平坦側面から他方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第１傾斜部と、他方の前記燃料電池セルの平坦側面から一方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第２傾斜部とを具備し、前記第１傾斜部及び前記第２傾斜部に折曲部を形成し、前記連結帯及び前記接合帯が対向する前記燃料電池セルの平坦側面に交互に接合していることを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
前記燃料電池セル間を前記セル長さ方向に流れるガスが、前記燃料電池セルの外側電極側に向けて流れるように、前記接合帯のガス下流側が前記外側電極側に向けて折曲されていることを特徴とする請求項１記載のセルスタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセルスタックを収納ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３１７６１１（Ｐ２００７−３１７６１１Ａ）
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４８５７６（Ｐ２００６−１４８５７６）
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月２９日（２００６．５．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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