燃料電池スタック

【課題】インターコネクタを薄型化したときにも、積層時の変形を防止することができるようにする。
【解決手段】複数の集電突起１３を両面にそれぞれ起立形成したセパレータ１１を有する燃料電池スタックにおいて、上記複数の集電突起１３を互いに対向させて配列したことを特徴としている。セパレータ１１よりも集電突起１３の強度を大きくし、かつ、その集電突起１３よりも単セル２２の強度を大きくすると、単セル２２に反りや歪みがある場合、セパレータ１１が変形することになるため、一方のガス流通路の高さだけが低くなるのを防止し、それらガス流通路の高さのばらつきを緩和することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インターコネクタと単セルとを交互に積層させた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池スタックとして、「燃料電池ユニット」とした名称において特許文献１に開示されたものがある。
特許文献１に開示された燃料電池ユニットは、単セルとセパレータ板との間に、外縁部を閉塞した扁平なガス室を有するディスク型のものであり、一方の面に複数の弾性突部を設け且つ他方の面を平坦面とした集電プレートを備え、セパレータ板の少なくとも単セル側の面に集電プレートの平坦面を接合して双方を一体化するとともにに、弾性突部を単セルに圧接させた構成のものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９‐２６６５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、車載用の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）としては、急速起動（低熱容量化）、軽量化が大きな課題となっているため、インターコネクタも薄板化する必要がある。
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池ユニットにおいて、インターコネクタを薄板化すると、脆弱となって積層時に変形が生じて、単セルへの集電構造体の押し付け圧力が不足し、また、集電構造体が単セルに接触しないこととなって、集電抵抗が増加、効率低下を招く。
また、ガス流路の高さ（セルとセパレータ間の間隔）として所要の値が得られなくなり、出力低下や温度分布の発生を招来するという未解決の課題がある。
【０００５】
そこで本発明は、インターコネクタを薄型化したときにも、積層時の変形を防止できる燃料電池スタックの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明は、複数の集電突起を両面にそれぞれ起立形成したセパレータを有する燃料電池スタックにおいて、上記複数の集電突起を互いに対向させて配列している。
この構成においては、複数の集電突起を互いに対向させて配列しているので、インターコネクタを薄型化したときにも、積層時の変形を防止できる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、インターコネクタを薄型化したときにも、積層時の変形を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観斜視図である。
【図２】同上の燃料電池スタックの一部を分解して示す分解斜視図である。
【図３】（Ａ）は、セパレータの平面図、（Ｂ）は、集電板の平面図、（Ｃ）は、それらセパレータと集電板とからなるインターコネクタの組立図である。
【図４】同上の燃料電池スタックの一部をなすインターコネクタの集電突起の拡大斜視図である。
【図５】ガス流通路を流通する発電用ガスの流れを示す燃料電池スタックの一部を分解して示す斜視図である。
【図６】（Ａ）は、図５に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図、（Ｂ）は、図５に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う断面図である。
【図７】（Ａ）は、積層しようとする単セルとインターコネクタを示す部分正面図、（Ｂ）は、それら単セルとインターコネクタを積層した状態を示す部分正面図である。
【図８】集電突起、セパレータ及び単セルの各強度を異ならせたものであり、（Ａ）は、積層しようとする単セルとインターコネクタを示す部分正面図、（Ｂ）は、それら単セルとインターコネクタを積層した状態を示す部分正面図である。
【図９】集電突起、セパレータ及び単セルの各強度を異ならせたものであり、（Ａ）は、積層しようとする単セルとインターコネクタを示す部分正面図、（Ｂ）は、それら単セルとインターコネクタを積層した状態を示す部分正面図である。
【図１０】集電突起、セパレータ及び単セルの各強度を異ならせたものであり、（Ａ）は、第一の変形例に係るインターコネクタの示す斜視図、（Ｂ）は、そのインターコネクタの分解断面図、（Ｃ）は、そのインターコネクタを組み立てて示す断面図である。
【図１１】第二の変形例に係るインターコネクタの部分断面図である。
【図１２】（Ａ）は、第三の変形例に係るインターコネクタの斜視図、（Ｂ）は、そのＩＶ‐ＩＶ線に沿う分解断面図、（Ｃ）は、そのＩＶ‐ＩＶ線に沿う組み立てた状態の断面図である。
【図１３】円板形にした燃料電池ユニットの分解斜視図である。
【図１４】第四の変形例に係るインターコネクタの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの概略外観斜視図、図２は、その燃料電池スタックの一部を分解して示す分解斜視図、図３（Ａ）は、セパレータの平面図、（Ｂ）は、集電板の平面図、（Ｃ）は、それらセパレータと集電板とからなるインターコネクタの組立図である。また、図４は、燃料電池スタックの一部をなすインターコネクタに形成された集電突起の拡大斜視図、図５は、ガス流通路を流通する発電用ガスの流れを示す燃料電池スタックの一部を分解して示す斜視図、図６（Ａ）は、図５に示すＩ‐Ｉ線に沿う断面図、（Ｂ）は、図５に示すＩＩ‐ＩＩ線に沿う断面図である。
【００１０】
本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックＡ１は、インターコネクタＣ１、スペーサ１５、セルフレーム２０、スペーサ２５を順次積層させたものを、これらの両外面側（図示上下両側）から一対のエンドプレート３５，４０により挟圧した構成のものである。
【００１１】
インターコネクタＣ１は、図３（Ｃ）に示すように、セパレータ１１の両面に集電板１２，１２を接合してなるものである。
セパレータ１１は、図３（Ａ）に示すように、それの両端部に発電用ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｍ，Ｍがそれぞれ形成された横長方形のものである。
本実施形態において示す発電用ガスは、燃料ガスと酸化剤ガスである。
【００１２】
集電板１２は、図２，図３（Ｂ）に示すように、それの両端部に燃料ガス又は酸化剤ガスの供給及び排出を行うためのマニホールド部Ｍ，Ｍが、また、弾性変形する多数の集電突起１３を一面（図示上面）１２ａの中央部に形成している。
本実施形態においては、後述する単セル２２に対向する領域に、多数の集電突起１３を配列している。
【００１３】
集電突起１３は、図５に示すガス流通路Ｓ１を流通する酸化剤ガスのガス流通方向α１に沿う突起列Ｂ１〜Ｂｎを、そのガス流通方向α１に直交する方向βにおいて互いに所定の間隔をおいて、導電性の金属板からなる基板１４に一体に複数列設してなるものである。
また、本実施形態において示す集電突起１３は、上記図５に示す配列に限るものではなく、他の配列形態にすることができる。
なお、本実施形態においては、説明の簡略化のために、ガス流通方向α１において互いに一定の間隔で配列された７つの集電突起からなる突起列Ｂ１〜Ｂ１０で示すものを例示している。
【００１４】
集電突起１３は、ガス流通路Ｓ１内を流通する酸化剤ガスのガス流通方向α１と平行な平面において同一方向に傾斜させ、かつ、互いに同形同大の板状体にして形成されている。
この集電突起１３は、図３（Ｃ），図４に示すように、ガス流通方向α１から見たときに縦長方形に、かつ、ガス流通方向α１と直交する方向βから見たときに、基端部１３ａから先端部１３ｂに向けてガス流通方向α１の下流側に傾斜させて形成しており、それらは基板１４から切り起こすことにより形成している。
なお、集電突起１３の形状は、上記図３に示すもの限るものではなく、他の公知の形状に形成できることは勿論である。
【００１５】
換言すると、上記集電突起１３は、これの鋭角をなす板面部１３ｃをガス流通方向α１の下流側に向けて配列している。
敷衍すると、図４に示すように、基板１４の開口１４ａであってガス流通方向α１の上流側辺縁１４ｂから、その開口１４ａの当該下流側辺縁１４ｃに向けて傾けられている。
上記した集電突起１３は、打ち抜き加工等の切断加工や、エッジング加工等のように材料の除去を伴う加工により縁取りした部分を折り曲げることにより微細構造に形成することができる。
【００１６】
本実施形態に示す集電突起１３の先端部１３ｂは、基板１４とほぼ平行に形成されており、単セル２２と面接触するようにしている。図４においては、単セル２２と面接触する部分を面接触部１３ｄとして示している。
すなわち、各集電突起１３が、面接触部１３ｄを介して単セル２２に接触するようにしている。
【００１７】
二つの集電板１２，１２は、これらの集電突起１３どうしを互いに対向させてセパレータ１１の両面１１ａ，１１ｂに接合されている。
すなわち、図３，６に示すように、セパレータ１１の両面１１ａ，１１ｂに配設された二つの集電突起１３，１３は、これらの先端部１３ｂ，１３ｂを揃えている。換言すると、それらの面接触部１３ｄ，１３ｄどうしが平面視において重なる位置となるようにしている。
そして、それぞれの基板１４，１４をセパレータ１１の両面に当接させ、かつ、集電突起１３の先端部１３ｂを単セル２２に当接させることにより、その単セル２２とセパレータ１１との間にガス流通路Ｓ１（Ｓ２）を区画形成している。
【００１８】
セパレータ１１の下面１１ｂに接合した集電板１２の集電突起１３は、燃料ガスのガス流通方向α２から見たときに縦長方形に、かつ、ガス流通方向α２と直交する方向βから見たときに、基端部１３ａから先端部１３ｂに向けてガス流通方向α２下流側に傾斜させて形成しており、それらは基板１４から切り起こすことにより形成している。
換言すると、上記両集電板１２，１２の集電突起１３，１３は、これの鈍角をなす板面部００ｂをそれぞれガス流通方向α１，α２の各下流側に向けて配列している。
なお、セパレータ１１の下面１１ｂに接合した集電板１２の集電突起１３の形状は、上記した形態に限るものではなく、他の公知の形状に形成できることは勿論である、
【００１９】
上記スペーサ１５は、インターコネクタＣ１とセルフレーム２０との間に酸化剤ガスを流通させるためのガス流通路Ｓ１を気密的に区画形成するためのものであり、これの両端部に、図２，５に示すようなマニホールド孔Ｈ２、Ｈ４，Ｈ６が形成されている。
【００２０】
スペーサ２５は、インターコネクタＣ２とセルフレーム２０との間に燃料ガスを流通させるためのガス流通路Ｓ２を区画形成するためのものであり、これの両端部に、マニホールド孔Ｈ１，Ｈ２、Ｈ５が形成されている。
【００２１】
セルフレーム２０は、平面視長方形に形成されたフレーム２１、これの中央部に平面視長方形の単セル２２を配設したものである。
単セル２２は、固体電解質を燃料極と空気極で挟持した構造のものである。
【００２２】
上記の単セル２２は、上記したガス流通路Ｓ１を流通する酸化剤ガスが空気極に流接し、かつ、ガス流通路Ｓ２を流通する燃料ガスが燃料極に流接することにより発電を行なうものである。
【００２３】
上記したインターコネクタＣ１，Ｃ２、集電板１２，１２及びセルフレーム２０にそれぞれ形成されたマニホールド部Ｍ，Ｍのうち、一側方のマニホールド部Ｍは、マニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３からなる。
それらマニホールド孔Ｈ１〜Ｈ３は、酸化剤ガス供給用（Ｈ１）、燃料ガス排出用（Ｈ２）及び酸化剤ガス供給用（Ｈ３）のものであり、図１に示す積層方向γにそれぞれの流路を形成している。
【００２４】
他側方のマニホールド部Ｍは、マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６からなる。各マニホールド孔Ｈ４〜Ｈ６は、燃料ガス供給用（Ｈ４）、酸化剤ガス排出用（Ｈ５）及び燃料ガス供給用（Ｈ６）であり、上記積層方向γにそれぞれの流通路を形成している。なお、供給用のものと排出用のものは一部又は全部が逆の位置関係でもよい。
【００２５】
図７（Ａ）は、積層しようとする単セルとインターコネクタを示す部分正面図、（Ｂ）は、それら単セルとインターコネクタを積層した状態を示す部分正面図である。
本実施形態においては、上記セパレータ１１の両面に、互いに対向させて起立形成した複数の集電突起１３を有しているとともに、それら各集電突起１３が単セル２２に接している面積を同一にしているので、その単セル２２からセパレータ１１への応力が上下から均等に作用するため、そのセパレータ１１の変形を抑制することができる。
これにより、集電突起１３の単セル２２への適切な接触と押し付け力を確保できるとともに、適切なガス流路高さを確保できる。
【００２６】
特に、軽量，低熱容量化を狙い、インターコネクタＣ１，Ｃ２を薄いステンレス等で形成する場合、小さな押付力で均一な押し付けと、流路高さの確保が可能となり、単セル２２への過剰な押付け圧が不要となり、その単セル２２への応力も緩和できる。
また、集電突起（集電板）の材質としては、ステンレスに限らず耐熱鋼若しくはそれらに必要な被覆を施したものを用いることができる。
集電突起の材質が、燃料極，空気極側で異ならせている場合にも、集電突起の反力を同じにして、セパレータに同じ応力を作用させればよい。
【００２７】
図８は、集電突起、セパレータ及び単セルの各強度を異ならせたものであり、（Ａ）は、積層しようとする単セルとインターコネクタを示す部分正面図、（Ｂ）は、それら単セルとインターコネクタを積層した状態を示す部分正面図である。
本実施形態においては、集電突起１３よりもセパレータ１１の強度を大きくし、かつ、そのセパレータ１１よりも単セル２２の強度を大きくした関係にしている。
【００２８】
すなわち、集電突起１３の強度＜セパレータ１１の強度とすることにより、そのセパレータ１１の変形が抑制され、単セルＡ１の反りにより、単セル２２とインターコネクタＣ１との間の流路高さは変化するが、その影響で単セルＡ２とインターコネクタＣ１との流路高さが変化することはない（図２参照）。
集電突起１３の応力を、上記したようにセパレータ１１の同じ対向位置、同じ面積で受け止める構造としているので、薄く、かつ、剛性の低いセパレータであっても上記と同じ効果を得ることができる。
【００２９】
また、ガス流通路Ｓ２に臨む集電突起１３の強度を、ガス流通路Ｓ１に臨む集電突起１３の強度よりも大きくしているので大きくした場合、ガス流通路Ｓ２の高さＨ２を優先的に確保することができる。
また、集電突起１３の応力を、上記したセパレータ１１の同じ位置、同面積で受け止める構造とすることにより、このような統制されたセパレータ１１の変形が可能になる。
【００３０】
なお、ガス流通路Ｓ１に臨む集電突起１３の強度を、ガス流通路Ｓ２に臨む集電突起１３の強度よりも大きくすることにより、ガス流通路Ｓ１の高さＨ１を優先的に確保することができる。
【００３１】
図９は、集電突起、セパレータ及び単セルの各強度を異ならせたものであり、（Ａ）は、積層しようとする単セルとインターコネクタを示す部分正面図、（Ｂ）は、それら単セルとインターコネクタを積層した状態を示す部分正面図である。
図９においては、上記セパレータ１１よりも集電突起１３の強度を大きくし、かつ、その集電突起１３よりも単セル２２の強度を大きくしたものである。
【００３２】
単セル２２に反りや歪みがある場合、単セル２２、セパレータ１１、集電突起１３の強度の関係を、単セル２２＞集電突起１３＞セパレータ１１にすることにより、そのセパレータ１１が変形することになるため、単セル２２の反りにより、単セル２２，２２の間隔に変化があった場合に、一方のガス流通路の高さだけが低くなるのを防止し、それらガス流通路の高さのばらつきを緩和することができる。
【００３３】
さらに、ガス流通路Ｓ１に臨む集電突起１３の強度よりも、ガス流通路Ｓ２に臨む集電突起１３の強度を大きくすることにより、ガス流通路Ｓ１に臨む集電突起１３が相対的に変形しやすく、空気極側の凹凸に追従し、ガス流通路Ｓ２の高さＨ２を確保しやすくなる。
また、集電突起１３の応力を、セパレータ１１の同じ位置、同面積で受け止める構造とすることにより、このような統制されたセパレータ１１の変形が可能になる。
【００３４】
なお、ガス流通路Ｓ２に臨む集電突起１３の強度よりも、ガス流通路Ｓ１に臨む集電突起１３の強度を大きくしてもよい。この場合、ガス流通路Ｓ２に臨む集電突起１３が相対的に変形しやすく、燃料極側の凹凸に追従し、ガス流通路Ｓ１の高さを確保しやすくなる。
【００３５】
図１０（Ａ）は、第一の変形例に係るインターコネクタを示す斜視図、（Ｂ）は、そのインターコネクタの分解断面図、（Ｃ）は、そのインターコネクタを組み立てて示す断面図である。なお、図１０〜１４に示すインターコネクタにおいて、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
第一の変形例に係るインターコネクタ５０は、セパレータ１１の両面に集電板５５，５５を接合してなるものである。
集電板５５は、基板５６に曲面で形成されたドーム形の各集電突起５７を一定の間隔にして形成したものである。
【００３７】
集電板５５，５５どうしは、複数のドーム形の各集電突起５７，５７を互いに対向させて上記セパレータ１１の両面に接合している。
このような構造からなるインターコネクタ５０であっても、上記したものと同様の効果を得ることができる。
【００３８】
図１１は、第二の変形例に係るインターコネクタの部分断面図である。
第二の変形例に係るインターコネクタ６０は、図１０に示すセパレータ１１を介することなく、集電板５５，５５どうしを、これらの複数のドーム形の各集電突起５７，５７を互いに対向させて直接接合した構成のものである。
【００３９】
図１２は、第三の変形例に係るインターコネクタの部分断面図であり、（Ａ）は、その斜視図、（Ｂ）は、そのＩＶ‐ＩＶ線に沿う分解断面図、（Ｃ）は、そのＩＶ‐ＩＶ線に沿う断面図である。
【００４０】
第三の変形例に係るインターコネクタ７０は、集電板７５，７５を金属製のメッシュ板で形成したものであり、それら集電板７５，７５どうしは、メッシュ状にしたドーム形の各集電突起７６，７６を互いに対向させて上記セパレータ１１の両面に接合したものである。
このような構造からなるインターコネクタ７０であっても、上記したものと同様の効果を得ることができる。
【００４１】
図１３は、他例に係る燃料電池ユニットの分解斜視図、図１４は、第四の変形例に係るインターコネクタの平面図である。
図示の燃料電池ユニットＵ２は平面視円形にしたディスク型のものであり、これを積層することにより燃料電池スタックを構成するものである。
燃料電池ユニットＵ２は、円形の単セル８０と、この単セル８０の片面（上面）に対向するインターコネクタ９０を備え、単セル８０とインターコネクタ９０との間に外縁部を閉塞した袋綴じ構造の扁平なガス室を形成したものである。
なお、図１３において示す（８１）は、上記単セル８０の中央孔に装着する内周リング、（８２）は、単セル８０とインターコネクタ９０の外周部どうしを接合封止するための外周リング、（８３）は、当該ユニットを積層した際に下段のユニットとの間に介装されるスペーサである。
【００４２】
ガス室には、これを区画するための流路部材８４を介在させており、それは、リング形の基部８４ａに８本の区画材８４ｂを放射状に延出形成したものであり、そのガス室を８つの発電エリアに区画している。
すなわち、図１４に矢印で示すように、中央部分において、供給路Ｐ１からの四つの供給部と排出路Ｐ２への四つの排出部とが周方向に交互に配置してあり、ユニット内全域に燃料ガスが均一に流通するようにしている。
【００４３】
第四の変形例に係るインターコネクタ９０は、それぞれ平面視円形にしたセパレータ９１、集電板９２，９３からなる。
集電板９２，９３は、上記区画材８４ｂに対向する領域を平坦面に形成するとともに、各発電エリアの輪郭形状に一致させて、上記した集電突起１３を扇形に配列してなる突起領域９２ａ〜９２ｈを形成したものである。
そして、上記構成を備えた集電プレート９２，９３は、起立形成した複数の集電突起を互いに対向させるようにしてセパレータ９１の上下両面に接合されている。
この構成によっても、インターコネクタを薄型化したときにも、積層時の変形を防止することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１１，９１セパレータ
１３，５７，７６集電突起
２２，８０単セル
Ｓ１，Ｓ２ガス流通路

【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の集電突起を両面にそれぞれ起立形成したセパレータを有する燃料電池スタックにおいて、
上記複数の集電突起を互いに対向させて配列していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
各集電突起が弾性材で形成されている請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
各集電突起が曲面で形成されたドーム形に形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
各集電突起がメッシュ板で形成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
セパレータと集電突起とが別体にして形成されており、
集電突起よりもセパレータの強度を大きくし、かつ、そのセパレータよりも単セルの強度を大きくしている請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
セパレータと集電突起とが別体にして形成されており、
上記セパレータよりも集電突起の強度を大きくし、かつ、その集電突起よりも単セルの強度を大きくしている請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
一方の発電用ガスのガス流通路に臨む集電突起の強度が、他方の発電用ガスのガス流通路に臨む集電突起の強度よりも大きくしている請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
他方の発電用ガスのガス流通路に臨む集電突起の強度が、一方の発電用ガスのガス流通路に臨む集電突起の強度よりも大きくしている請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
単セルとセパレータとの間に、外縁部を閉塞した扁平なガス流通路を有するディスク型の燃料電池スタックにおいて、
上記セパレータの両面に、互いに対向させて起立形成した複数の集電突起を有することを特徴とする燃料電池スタック。

【図１】