JP2005339904A - 燃料電池セルスタック及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】集電部材とセルとを強固に接合することができ、長期使用による集電抵抗増大を抑制し、出力低下を有効に回避できる燃料電池セルスタック及び燃料電池を提供する。
【解決手段】固体電解質６８の両側に酸素極７０と燃料極６６が形成され、酸素極７０又は燃料極６６に接続されるインターコネクタ７２を有する複数の固体電解質形燃料電池セル６２を、集電部材７６を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタック６０であって、燃料電池セル６２と集電部材７６とを導電性セラミックスからなる導電性接合材１２０で接合してなるとともに、燃料電池セル６２と集電部材７６との接合強度が０．０８ＭＰａ以上である。
【選択図】図７

Description

本発明は、複数の固体電解質形燃料電池セルを、集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタック及び燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形の燃料電池は、作動温度が８００〜１０００℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。

固体電解質型燃料電池は、燃料極と酸素極とを固体電解質を間に挟んで構成されたセルの複数を、金属、合金製、或いはセラミック製の集電部材によって電気的に接続することにより電流を取り出す構造となっている。

ところで、上記のような構造の燃料電池では、燃料極には燃料ガスが供給され、酸素極には空気等の酸素含有ガスが供給されるため、集電部材は酸化又は還元に対する耐性の良好なものでなければならない。このような燃料電池として、集電部材が容易に酸化されないように、この集電部材の表面を銀で被覆し、この集電部材を燃料電池セルの電極に接合した燃料電池が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−２８２１２７号

特許文献１の燃料電池では、燃料電池セルの電極と集電部材とを銀ペーストにより接合するため、燃料電池セルと集電部材との電気的接続信頼性を向上できるものの、燃料極や酸素極は多孔質であるため、集電部材表面に銀ペーストを塗布して接合するだけでは、集電部材表面に塗布された銀ペーストが多孔質である燃料極や酸素極に吸われるという現象が生じ、未だ充分な接合強度が得られておらず、さらなる高い接合強度が要求されている。

また、銀ペーストを用いて接合した場合、理由は明確ではないが（おそらく銀のマイグレーションと思われる）、長期発電により燃料極と酸素極との間の絶縁性が経時的に低下し、発電性能が低下していく傾向があった。

本発明は、集電部材とセルとを強固に接合することができ、長期使用による集電抵抗増大を抑制し、出力低下を有効に回避できる燃料電池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。

本発明の燃料電池は、固体電解質の両側に酸素極と燃料極が形成され、前記酸素極又は前記燃料極に接続されるインターコネクタを有する複数の燃料電池セルを、集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタックであって、前記燃料電池セルと前記集電部材とを導電性セラミックスからなる導電性接合材で接合してなるとともに、前記燃料電池セルと前記集電部材との接合強度が０．０８ＭＰａ以上であることを特徴とする。

このような燃料電池セルスタックでは、燃料電池セルと導電性セラミックスからなる集電部材との接合強度が０．０８ＭＰａ以上であるため、集電部材とセルとの接合強度が大きく、長期使用による集電抵抗増大を抑制し、出力低下を有効に回避できる。また、導電性セラミックスからなる集電部材を用いるため、銀を用いる場合のようなマイグレーションが生じることがない。

また、本発明の燃料電池セルスタックは、集電部材は、金属又は合金からなる板状であることを特徴とする。このような燃料電池セルスタックでは、集電部材が板状であり、燃料電池セルと面で接合されるため、燃料電池セルとの接合強度を向上できる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタックは、集電部材が導電性接合材で被覆されていることを特徴とする。このような燃料電池セルスタックでは、被覆した導電性接合材により集電部材の酸化、還元を抑制できるとともに、燃料電池セルに集電部材を導電性接合材を用いて接合した場合、被覆された導電性接合材とともに、集電部材が導電性接合材中に取り込まれるように燃料電池セルに接合され、より接合強度を向上できる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタックは、集電部材の一方側が一方の燃料電池セルの酸素極又は燃料極に接続され、他方側が他方の燃料電池セルのインターコネクタに接続されていることを特徴とする。このような燃料電池セルスタックでは、複数の燃料電池セルを直列に接続でき、大きな電圧を得ることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタックは、導電性接合材が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする。特に、導電性接合材が、モル比による組成式（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）_A（Ｃｏ_１−ｙＦｅ_ｙ）_ＢＯ_３（０．２≦ｙ≦０．８）で表される組成物からなることが望ましい。このような燃料電池セルスタックでは、導電性接合材が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物であるため、６００〜１０００℃の作動温度での電気伝導性が高く、しかも導電性の劣化を小さくできる。

また、本発明の燃料電池セルスタックは、集電部材が燃料電池セルの酸素極に接合されており、該酸素極は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする。このような燃料電池セルスタックでは、酸素極の導電性を高くできる。また、酸素極が導電性接合材の成分と同じ成分を含有する場合には、接合強度を向上できる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタックは、燃料電池セルのインターコネクタ表面には、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物からなる集電膜が形成されており、集電部材が、前記集電膜に接合されていることを特徴とする。本発明の燃料電池セルスタックは、集電膜は、酸素極材料と同一材料からなることを特徴とする。このような燃料電池セルスタックでは、例えば、酸素極と同様のペロブスカイト型酸化物で集電膜を作製するため、集電部材による酸素極とインターコネクタ上の集電膜との接合条件がほぼ等しくなり、両者の接合強度を同じ程度とできる。

また、本発明の燃料電池セルスタックは、燃料電池セルは中空平板型であり、対向する平坦部の一方側に酸素極又は燃料極が形成され、他方側の表面にインターコネクタが形成されていることを特徴とする。このような燃料電池セルスタックでは、燃料電池セル間に集電部材を介装し、接合する際に、集電部材を平坦な燃料電池セルの面に接合できるため、接合強度を向上できる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタックは、上記燃料電池セルスタックをハウジング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、集電部材と燃料電池セル間の接合強度が大きいため、長期使用による集電抵抗増大を抑制することができ、出力低下を有効に回避できる。

本発明の燃料電池セルスタックでは、燃料電池セルと集電部材との接合強度が０．０８ＭＰａ以上であるため、集電部材とセルとの接合強度が大きく、長期使用による集電部材の燃料電池セルとの接触不良を減少させ、集電抵抗を低減し、電池の出力低下を抑制できる。また、銀ペーストを用いて接合しないため、銀のマイグレーション等を考慮する必要がない。

以下、本発明の燃料電池を図面を参照して詳述する。図１及び図２を参照して説明すると、図示の燃料電池は略直方体形状のハウジング２を具備している。このハウジング２の６個の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、即ち上断熱壁４、下断熱壁６、右側断熱壁８、左側断熱壁１０、前断熱壁（図示していない）及び後断熱壁（図示していない）が配設されている。ハウジング２内には発電・燃焼室１２が規定されている。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室１２内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。

ハウジング２内の下端部には下部ガス室１４が配置され、上端部には上部ガス室１６が配設されている。下部ガス室１４は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１５内に規定されており、同様に上部ガス室１６も上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１７内に規定されている。ハウジング２内の左右両側部には上下方向に延在する連通ガス室１８が配設されている。かかる連通ガス室１８は横方向（図１において左右方向）寸法が比較的小さい直方体形状のケース１９内に規定されている。

連通ガス室１８の各々の上面には前後方向に間隔をおいて３個の連通筒２０が付設されており、かかる連通筒２０を介して連通ガス室１８の各々が上部ガス室１６の下面両側部に連通されている。連通ガス室１８の各々の下端部内側は下部ガス室１４の両側面に直接的に連結されている。

従って、上部ガス室１６の両側部は連通ガス室１８を介して下部ガス室１４の両側部に連通せしめられている。下部ガス室１４の上面には横方向（図１において左右方向）に間隔をおいて上方に突出する５個の中空ガス噴出板２２が配設されている。かかるガス噴出板２２の下端は下部ガス室１４内に連通せしめられており、上部にはガス噴出孔（図示していない）が形成されている。

ハウジング２の両側部、更に詳しくは右側断熱壁８の内側及び左側断熱壁１０の内側には、全体として平板形状である熱交換器２４が配設されている。熱交換器２４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース２６から構成されている。

かかるケース２６内にはその横方向中間に位置する仕切板２８が配設されており、ケース２６内は内側に位置する排出路３０と外側に位置する流入路３２とに区画されている。排出路３０内には上下方向に間隔をおいて５枚の仕切壁３４及び３６が配置されている。更に詳述すると、排出路３０内には、その前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３４と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁３６とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路３０はジグザグ形態にせしめられている。

同様に、流入路３２内にも上下方向に間隔をおいて５枚の仕切壁３８及び４０、即ちその前縁はケース２６の前壁（図示していない）から後方に離隔して位置するがその後縁はケース２６の後壁（図示していない）に接続されている形態の仕切壁３８と、その前縁はケース２６の前壁に接続されているがその後縁はケース２６の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁４０とが交互に配置されており、かくして流入路３２もジグザグ形態にせしめられている。

ケース２６の内側壁の上端部には排出開口４２が形成されており、排出路３０は排出開口４２を介して発電・燃焼室１２と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器２４の各々と上記連通ガス室１８との間及び連通ガス室１８の内面にも断熱部材４４及び４６が配設されているが、かかる断熱部材４４及び４６の上端は排出開口４２の下縁と実質上同高乃至これより幾分下方に位置せしめられており、排出開口４２は断熱部材４４及び４６の上方に残留せしめられている空間並びに連通ガス室１８の上端に配設された３個の連通筒２０間の空間を通して発電・燃焼室１２に連通せしめられている。

ケース２６の上壁における外側部には流入開口４８が形成されており、流入路３２はかかる流入開口４８を介して上部ガス室１６に連通せしめられている。熱交換器２４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。排出路３０の下端部は外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路３２の下端部は内側筒部材５４内に規定されている流入路に接続されている。

而して、図示の燃料電池における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願２００３−２９５７９０の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願２００３−２９５７９０の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。

上述した下部ガス室１４の上面上には４個の発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄが配置されている。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄは、夫々、上述したガス噴出板２２間に位置せしめられている。図１及び図２と共に、図３を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは前後方向（図１において紙面に垂直な方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスマニホールド５８ａを具備している。

燃料ガス室５９ａを規定している燃料ガスマニホールド５８ａの上面上にはセルスタック６０ａが装着されている。セルスタック６０ａは上下方向に細長く延びる直立セル６２を燃料ガスマニホールド５８ａの長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。図４に明確に図示する如く、セル６２の各々は電極支持基板６４、内側電極層である燃料極６６、固体電解質層６８、外側電極層である酸素極７０、及びインターコネクタ７２から構成されている。

電極支持基板６４は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板６４にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）の燃料ガス通路７４が形成されている。セル６２の各々は、後述するように、燃料ガスマニホールド５８ａの上壁（天板）に、例えば耐熱性に優れたガラスによって接合され、セル６２の燃料ガス通路７４は、燃料ガス室５９ａに連通せしめられる。

インターコネクタ７２は電極支持基板６４の片面（図４のセルスタック６０ａにおいて上面）上に配設されている。燃料極６６は電極支持基板６４の他面（図４のセルスタック６０ａにおいて下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。固体電解質層６８は燃料極６６の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ７２の両端に接合せしめられている。酸素極７０は、固体電解質層６８の主部上、即ち電極支持基板６４の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板６４を挟んでインターコネクタ７２に対向して位置せしめられている。

セルスタック６０ａにおける隣接するセル６２間には集電部材７６が配設されており、一方のセル６２のインターコネクタ７２と他方のセル６２の酸素極７０とを、導電性セラミックスからなる導電性セラミックスにより接合されている。セルスタック６０ａの両端、即ち図４において上端及び下端に位置するセル６２の片面及び他面にも、後述するように端部側集電部材１０９が配設されており、この端部側集電部材１０９が、インタコネクタ７２又は酸素極に導電性セラミックスからなる導電性接合材により接合されている。

セル６２について更に詳述すると、電極支持基板６４は燃料ガスを燃料極６６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ７２を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。

燃料極６６及び／又は固体電解質層７０との同時焼成により電極支持基板６４を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板６４を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

燃料極６６は多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６８は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成されている。

酸素極７０は所謂ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックスから形成することができる。酸素極７０はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

酸素極７０は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物であることが望ましく、（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）_A（Ｃｏ_１−ｙＦｅ_ｙ）_ＢＯ_３（０．２≦ｙ≦０．８）で表される組成物からなることが望ましい。

インターコネクタ７２は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクト７２は電極支持基板６４に形成された燃料ガス通路７４を通る燃料ガス及び電極支持基板６４の外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

インターコネクタ７２の外面（上面）には、遷移金属ペロブスカイト型酸化物等からなる集電膜を設けることが好ましい。即ち、インターコネクタ７２には、導電性の集電部材７６が接続されるが、集電部材７６をインターコネクタ７２に直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。

しかるに、集電部材７６を、集電膜を介してインターコネクタ７２に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。集電膜としては、インターコネクタ７２を構成するＬａＣｒＯ_３系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるものを用いることができるが、特には、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物からなることが望ましい。さらには、集電膜は、酸素極材料と同一材料からなることが望ましい。集電膜の厚みは、３０乃至１００μｍの範囲にあることが好ましい。この集電膜に集電部材７６が接合され、インターコネクタ７２に集電部材７６が接合されている。

図１乃至図３を参照して説明を続けると、発電ユニット５６ａは、セルスタック６０ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である改質ケース７８ａも具備している。改質ケース７８ａの前端部下面には燃料ガス送給管８０ａの一端即ち上端が接続されている。

燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスマニホールド５８ａの前面に接続されている。改質ケース７８ａの後面には被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは実質上垂直に延び、ハウジング２の後壁（図示していない）を通ってハウジング２外に延出している。

被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース７８ａに被改質ガスが供給される。改質ケース７８ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

図示の実施形態においては、改質ケース７８ａは燃料ガス送給管８０ａを介して燃料ガスケース５８ａに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図３に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管８２ａの下面と燃料ガスマニホールド５８ａの後端部上面或いは後面との間に適宜の支持部材８４ａを付設することもできる。

発電ユニット５６ｃは上述した発電ユニット５６ａと実質上同一である。発電ユニット５６ｂ及び５６ｄは、発電ユニット５６ａ及び５６ｃに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース７８ｂ及び７８ｄと燃料ガスマニホールド５８ｂ及び５８ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケース７８ｂ及び７８ｄの前面からハウジング２の前壁（図示していない）を通って延出せしめられていることを除いて発電ユニット５６ａ及び５６ｃと同一である。

発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの各々は、図１及び図２を参照することによって明確に理解されるとおり、ガス噴射板２２間にて下部ガス室１４を規定するケース１５の上面上に載置され、ボルトの如き適宜の固定手段（図示していない）によって所定位置に固定される。

さらに、本発明の燃料電池では、上記したように、又、図５、６に示すように、複数の燃料電池セル６２が所定間隔をおいて立設した状態で、その下端部が燃料ガスマニホールド５８に接合固定されており、隣設する燃料電池セル６２間には集電部材７６を介装してなるセルスタック６０を具備している。

セルスタック６０の両側にはセルスタック保持部材９３が設けられ、セルスタック保持部材９３の下端部が、燃料ガスマニホールド５８に設けられた挿入孔９５に挿入固定されている。尚、図２、図３では、セルスタック保持部材、集電部材、端部側集電部材を省略した。

燃料電池セル６２の下端部は、セル支持板９７に設けられたセル挿入孔９９に挿入され、固定されており、このセル支持板９７が、燃料ガスマニホールド５８の天板を構成している。この場合には構造を簡略化でき、製造が容易となる。尚、燃料ガスマニホールドの上面にセル支持板を固定してもよい。この場合には、燃料ガスマニホールド内のガス気密性を高めることができる。この場合、燃料ガスマニホールドの天板には貫通孔が形成されており、この貫通孔とセルの燃料ガス通路７４とが連通している。尚、マニホールド５８と記載する場合があるが、この場合には、マニホールド５８ａ〜５８ｄを包含する意味である。

尚、複数の燃料電池セルを一列に配列させ、この状態で下端部を一体的に接合固定し、セルをセル支持板に立設させてもよい。この場合には、例えば、複数の整列した燃料電池セルの下端部を型枠内に収容し、この型枠内にガラスペースとを流し込み、加熱硬化させ、型枠を除去することにより作製できるため、セルスタックを容易に形成できる。

セルスタック保持部材９３及び燃料電池セル６２は、ガラス、セラミック等の絶縁材料により燃料ガスマニホールド５８の挿入孔９５，９９内に接合固定されている。接合は、セルスタック保持部材９３及び燃料電池セル６２を挿入孔９５，９９に挿入した状態で、その隙間に、ガラスペースト等を充填し、加熱することにより作製できる。

セルスタック保持部材９３と燃料電池セル６２との間には、端部側集電部材１０９が配置されている。この端部側集電部材１０９は、溶接等の接合部がない一体物から構成されており、その引出部がハウジング２の外部まで延設されている。

即ち、燃料電池セル間の集電部材７６は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、Ｕ字状をなしており、その平坦状の櫛歯７６ａが燃料電池セル６２の平坦部に導電性接合材１２０により接合している。

また、端部側集電部材１０９は、図８に示すように、燃料電池セル６２側の弾性部１０９ａと、セルスタック保持部材９３側に形成された枠状の固定部１０９ｂとから構成されている。端部側集電部材１０９の枠状の固定部１０９ｂには、電流を引き出すための引出部１０９ｃが形成されており、弾性部１０９ａ、固定部１０９ｂ、引出部１０９ｃは、接合部のない一体構造物からなり、例えば、導電性板材に切り込みを形成し、弾性部を形成する集電片をく字状に折曲し、図８（ａ）に示すように、弾性部１０９ａの平坦部に燃料電池セル６２の平坦部が導電性接合材１２０により接合されている。端部側集電部材１０９はＫ字状に形成されている。固定部１０９ｂは、格子状に形成された枠状であり、その格子部分がセルスタック保持部材９３の内面側に全体的に当接するように構成されている。

また、固定部１０９ｂの一方側端部には、図８（ｃ）に示したように、引出部１０９ｃが一体的に設けられている。尚、引出部１０９ｃは、図８（ｄ）に示すように、燃料電池セル６２の立設方向中央部における固定部１０９ｂに設けられていることが望ましい。これにより、燃料電池セル６２の立設方向の両端部からの電流の電流経路が最短となり、セルスタック６０からの電流を有効に最短距離で引き出すことができる。

集電部材７６の全周面は導電性接合材１２０で被覆されており、図７（ａ）（ｄ）に示したように、一方側の櫛歯７６ａが右側の燃料電池セル６２の酸素極７０と、他方側の櫛歯７６ａが左側の燃料電池セルのインターコネクタ７２に、導電性セラミックスからなる導電性接合材１２０により接合されている。この導電性接合材１２０は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物とされている。導電性接合材１２０は、モル比による組成式（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）_A（Ｃｏ_１−ｙＦｅ_ｙ）_ＢＯ_３（０．２≦ｙ≦０．８）で表される組成物からなることが望ましい。また、端部側集電部材１０９も、集電部材７６と同様に形成されている。

本発明の燃料電池に用いられる集電部材７６，１０９は、燃料電池セル６２間、もしくは燃料電池セル６２とセルスタック保持部材９３間に両者を接続するように配置され、集電ロスを低減させるために板状集電部材であることが重要で、図７（ｂ）、図８（ｃ）に示すような櫛歯形状の板状の集電部材を用いることが望ましい。また、板状の集電部材７６．１０９の厚みは０．２〜２．０ｍｍの範囲であることが望ましく。さらに、０．５〜１．０ｍｍの範囲とすることが望ましい。

また、集電部材７６は燃料電池セル６２間を接続する導電部材として機能することから、集電部材７６の酸素極７０に対する接触面積比が３０％以上とすることで、導通経路としての集電部材７６の面積を確保でき、集電部材７６の抵抗が減少するため、集電ロスを低減でき、高い発電性能を有する燃料電池を提供できる。集電部材７６は、酸素極７０と接合する面積よりも、インターコネクタ７２と接合する面積が大きいことが望ましい。これは、インターコネクタ７２はガスを通過させる必要がないため、接合面積を大きくすることができ、接合強度を高くできるからである。

集電部材７６，１０９は、金属、合金、又は、セラミックスからなるものであり、導電性接合材１２０で表面が覆われている。金属乃至合金としては、導電性の高いものであれば特に制限されないが、一般的には、Ｎｉ，Ｆｅ−Ｃｒ，ＳＵＳ等が好適に使用される。

そして、本発明の燃料電池は、燃料電池セル６２と集電部材７６、１０９との接合強度が０．０８ＭＰａ以上とされている。このような燃料電池は、例えば、集電部材７６で説明すると、図７（ｃ）に示すように、集電部材７６の表面を導電性接合材１２０ａで被覆するとともに、集電部材７６の櫛歯７６ａに導電性接合材を含有するペースト１２０ｂを塗布し、また、集電部材７６が接合される燃料電池セル６２の例えば酸素極７０の表面部分に、上記ペースト１２０ｃを塗布し、１０５０℃で加熱処理することにより、図７（ｄ）に示すように、集電部材７６の櫛歯７６ａが導電性接合材１２０により取り巻かれるようにして燃料電池セルに接合でき、高い接合強度を得ることができる。

これは、単に、導電性接合材のペーストを集電部材７６の表面、又は燃料電池セル６２の表面に塗布しただけでは、例えば、燃料電池セル６２の接合部分は酸素極又はインターコネクタ表面の集電膜であり、多孔質であるため、ペーストが吸われて、接合強度が低いが、集電部材７６の表面、及び燃料電池セル６２の表面に塗布することにより、ペーストが多孔質体に吸われたとしても、多量のペーストが存在するため、接合強度を高くできるとともに、被覆したペースト１２０ａにより集電部材７６の櫛歯７６ａが、図７（ｄ）に示すように埋設され、これにより接合強度を向上できる。また、導電性接合材のペーストを形成するための（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）_A（Ｃｏ_１−ｙＦｅ_ｙ）_ＢＯ_３原料粉末の平均粒径は０．６μｍ以下を用いることにより、多孔質体への吸い込み量は多くなる傾向にあるが、焼結性を向上できるため、接合強度を高めることができる。さらに、導電性接合材１２０の熱膨張係数は、酸素極７０、集電膜の熱膨張係数とほぼ同一であることが望ましい。

以上のように構成された燃料電池においては、被改質ガスが被改質ガス供給管（図２に２本の被改質ガス供給管８２ｂ及び８２８ｄを図示し、図３に１本の被改質ガス供給管８２ａを図示している）を介して改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄに供給され、改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管（図２に２本の燃料ガス送給管８０ａ及び８０ｃを図示している）を通して燃料ガスケース５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ内に規定されている燃料ガス室５９ａ、５９ｂ、５９ｃ及び５９ｄに供給され、次いでセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに供給される。

一方、空気でよい酸素含有ガスは二重筒体５０の内側筒部材５４内に規定されている流入路を通して熱交換器２４の流入路３２に供給され、次いで上部ガス室１６及び連通ガス室１８を通して下部ガス室１４に供給され、そしてガス噴出板２２の噴出孔からセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄに向けて噴射される。

セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの各々においては、酸素極において、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄから上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは、起動時に発電・燃焼室１２内に配設されている点火手段（図示していない）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電・燃焼室１２内は例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄは発電・燃焼室１２内に配設され、セルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室１２内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室１２内に生成された燃焼ガスは熱交換器２４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する排出路３０を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体５０における排出路を流動する際には、二重筒体５０における流入路を酸素含有ガスが流動し、燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換が行われる。

そしてまた、燃焼ガスが熱交換器２４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、酸素含有ガスが熱交換器２４の流入路３２をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で効果的に熱交換されて酸素含有ガスが余熱される。酸素含有ガスは上部ガス室１６、連通ガス室１８及び下部ガス室１４を通る際にも発電・燃焼室１２内の高温によって加熱される。

長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング２の前壁（図示していない）或いは後壁（図示していない）を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出す。

そして、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部におけるセルスタック６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄのみを新しいものに交換して、再びハウジング２内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部をハウジング２内から取り出し、発電ユニット５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの一部或いは全部における改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ自体を新しいものに或いは改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。

改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄ内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。

そして、本発明の燃料電池では、バネ性を有する板状の集電部材７６が燃料電池セル６２間を押し広げるようにして対向する燃料電池セル６２の平坦な側面間を機械的に接続することにより、燃料電池セル６２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６２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、集電部材７６は板状であるため弾性力も大きく、集電部材７６は導電性接合材１２０により接合されているため、振動等が生じたとしても燃料電池セル６２との十分な接触を長期間確保できる。また、集電部材７６、１０９と燃料電池セル６２との接合強度が０．０８ＭＰａ以上であるため、接合強度が大きく、振動等による接合解除が防止され、集電部材とセルとを強固に接合することができ、長期使用による集電抵抗増大を抑制し、出力低下を有効に回避できる。

また、集電部材７６は板状であるため、ハウジング２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６２との十分な接触を長期間確保できる。さらに、集電部材７６が板状であるため、一方の燃料電池セル６２のインターコネクタ７２と他方の燃料電池セル６２の酸素極７０との間に板状集電部材７６を容易にかつ確実に介装できる。

さらに、セルスタック６０における燃料電池セル６２の配列方向両側に、一端部が、燃料ガスマニホールド５８に設けられた挿入孔９５に挿入固定されたセルスタック保持部材９３が設けられているため、集電部材７６の弾性力で燃料電池セル６２の側面を押し広げるような力が作用したとしても、セルスタック保持部材９３によりセル６２の倒れを防止し、セル６２の広がりを阻止してセル６２の変形が抑制され、セル６２の折損を確実に防止できるとともに、セルスタック６０の口開きが抑制され、これにより集電部材７６によるセル６２間の電気的な接続を長期にわたって維持できる。

また、セルスタック保持部材９３に集電部材７６の弾性力により大きな力が作用したとしても、セルスタック保持部材９３の一端部は、マニホールド５８の挿入孔９５に挿入固定されているので、セルスタック保持部材９３が強固にマニホールド５８に固定され、セル６２間の電気的な接続を長期にわたって維持できる。

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。例えば、上記形態では、図４に示したような扁平状で、複数の燃料ガス通過孔７４を有する燃料電池セル６２を用いて説明したが、燃料電池セルは燃料ガス通路が一つであっても良く、特に限定されるものではない。さらに、上記例では、燃料極６６を内側電極としたが、酸素極７０を内側電極としても良い。

先ず、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末と、平均粒径０．８μｍのＹ_２Ｏ_３粉末を、焼成後におけるＮｉ換算の体積比率がそれぞれ５０％になるように混合した。この混合粉末に、増孔剤、ＰＶＡからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを混合して形成した支持基板材料を押出成形し、扁平状の支持基板成形体を作製し、これを乾燥し、１０００℃まで昇温し、脱脂、仮焼し、支持基板成形体を作製した。

次に、平均粒径０．８μｍの８モル％Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）粉末と、上記したＮｉＯ粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した燃料極となるスラリーを作製した。

上記ＹＳＺ粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体の片面に上記燃料極用のスラリーを印刷し、これを、固体電解質のシート状成形体が外側になるように、かつ支持基板成形体の平坦部で所定間隔をおいて離間するように、支持基板成形体にまき付け、乾燥した。

また、平均粒径０．９μｍのＬａ（ＭｇＣｒ）Ｏ_３系材料と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製し、このインターコネクタシート状成形体を、露出した支持基板成形体の表面に積層し、支持基板成形体に燃料極成形体、固体電解質成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製した。

次に、この積層成形体を脱脂処理し、さらに、大気中にて１５００℃で同時焼成した。この後、平均粒径が０．５μｍである（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）_ｍ（Ｃｏ_０．６Ｆｅ_０．４）_ｎＯ_３、ｍ／ｎ比１の粉末５０質量％と、ＩＰＡからなる溶媒を５０質量％含有するスラリーを作製し、このスラリーを、固体電解質表面から高さ３０ｃｍに配置された市販のスプレーガン装置で噴霧し、落下中に粒子を形成し、この粒子を、上記焼結体の固体電解質表面に堆積させた。

次いで同様に、インターコネクタ表面に上記スラリーを高さ３０ｃｍに配置された市販のスプレーガン装置で噴霧し、この粒子を、上記焼結体のインターコネクタ表面に堆積させた。その後、大気中で１０５０℃、２時間で焼き付け（加熱処理）、酸素極層の厚み７０μｍ、集電膜の厚み５０μｍの燃料電池セルを作製した。焼結後の酸素極、及び集電膜の気孔率は、２３乃至３８％であった。

表１に示す導電性接合材である（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘ）_ｍ（Ｃｏ_１−ｙＦｅ_ｙ）_ｎＯ_３の平均粒径が０．５μｍ、ｍ／ｎ比が０．９７の粒子、アクリル系樹脂からなる有機バインダーと、トルエンを添加して、接合材のスラリーを作製し、このスラリー中に、フェライト系の金属板をＵ字状に成形した図７（ｂ）に示す集電部材を浸漬し、集電部材の表面に導電性接合材を厚み５０μｍで塗布した。

また、上記で作製した導電性接合材のペースト（上記と樹脂量が異なる）を、集電部材の櫛歯に５０μｍの厚さで塗布するとともに、一方の燃料電池セルの酸素極、他方の燃料電池セルのインターコネクタの集電膜の表面に５０μｍで塗布し、導電性接合材の塗布された集電部材を、一方の燃料電池セルの酸素極、他方のインターコネクタの集電膜との間に介装し、大気中において１０５０℃、２時間熱処理し、集電部材を一方の酸素極、他方の集電膜を有するインターコネクタに導電性接合材を介して接合した。

この後、両隣のあるセル２本をマニホールドの付け根で裁断して取りだし、一方のセルの両脇と他方のセルの両脇をそれぞれ引っ張り試験機の治具に挟み込み、引っ張り速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで引っ張り、燃料電池セルと集電部材の接合強度を測定した。接合強度は、Ｕ字状集電部材と燃料電池セルとの接合面積を測定し、接合が解除された状態の荷重を、接合面積で割ることにより算出した。

比較例として、集電部材の櫛歯表面に接合材のペーストを塗布し、上記で作製した接合材のペーストを一方の燃料電池セルの酸素極、他方のインターコネクタ表面に塗布しなかった場合（試料Ｎｏ．１）集電部材の櫛歯表面に接合材のペーストを塗布せず、接合材のペーストを一方の燃料電池セルの酸素極、他方のインターコネクタの集電膜表面に５０μｍで塗布した場合（試料Ｎｏ．２）を作製し、上記と同様に燃料電池セルと集電部材の接合強度を測定した。その結果を表１に記載した。

この表１から、集電部材表面を導電性接合材で被覆するものの、集電部材の櫛歯のみに導電性接合材のペーストを塗布した試料Ｎｏ．１、集電部材表面を導電性接合材で被覆するものの、集電部材の酸素極のみに導電性接合材のペーストを塗布した試料Ｎｏ．２では、導電性接合材が多孔質体である酸素極の内部に吸われてしまい、接合部に隙間ができ、集電部材と酸素極及び集電膜界面での接点が減ることで０．０６ＭＰａ以下と接合強度が低下した。

これに対して、本発明の試料においては、接合部に隙間ができず、接合点が多く、集電部材と電極との接合強度が０．０８ＭＰａ以上と高くなった。

本発明の燃料電池の好適実施形態を示す断面図。 図１の燃料電池を、一部を省略して示す斜面図。 図１の燃料電池に使用されている発電ユニットを示す斜面図。 図３の発電ユニットにおけるセルスタックを示す断面図。 セルスタックの両側にセルスタック保持部材が設けられている状態を示す斜視図。 燃料ガスマニホールドに設けられたセルスタックを示すもので、（ａ）は上方から見た平面図、（ｂ）は（ａ）の一部を切り欠いて示す側面図。 （ａ）は燃料電池セル同士をＵ字状の集電部材を用いて、導電性接合材で接合した状態を示す平面図、（ｂ）は（ａ）の集電部材を示す斜視図、（ｃ）は集電部材の櫛歯を燃料電池セルの空気極に接合する方法を示す説明図、（ｄ）はＵ字状の櫛歯が燃料電池セルの空気極に接合している状態を示す断面図。 （ａ）はセルスタック保持部材と燃料電池セル間に端部側集電部材が配置されている状態を示す平面図、（ｂ）は、端部側集電部材の櫛歯が導電性接合材で被覆されている状態を示す断面図、（ｃ）は端部側集電部材を示す斜視図、（ｄ）は枠体の中央部に引出部が形成された端部側集電部材を示す斜視図。

符号の説明

５８（５８ａ、６８ｂ、５８ｃ及び５８ｄ）：燃料ガスマニホールド
６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄ）：セルスタック
６２：燃料電池セル
６６：燃料極
７０：酸素極
７２：インターコネクタ
７６：集電部材
１０９：端部側集電部材
１２０：導電性接合材

Claims (10)

1. 固体電解質の両側に酸素極と燃料極が形成され、前記酸素極又は前記燃料極に接続されるインターコネクタを有する複数の固体電解質形燃料電池セルを、集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタックであって、前記燃料電池セルと前記集電部材とを導電性セラミックスからなる導電性接合材で接合してなるとともに、前記燃料電池セルと前記集電部材との接合強度が０．０８ＭＰａ以上であることを特徴とする燃料電池セルスタック。
2. 集電部材は、金属又は合金からなる板状であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セルスタック。
3. 集電部材が導電性接合材で被覆されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池セルスタック。
4. 集電部材の一方側が一方の燃料電池セルの酸素極又は燃料極に接続され、他方側が他方の燃料電池セルのインターコネクタに接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
5. 導電性接合材が、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
6. 集電部材が燃料電池セルの酸素極に接合されており、該酸素極は、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
7. 燃料電池セルのインターコネクタ表面には、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｏ及びＦｅを含有するペロブスカイト型酸化物からなる集電膜が形成されており、集電部材が、前記集電膜に接合されていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
8. 集電膜は、酸素極材料と同一材料からなることを特徴とする請求項７記載の燃料電池セルスタック。
9. 燃料電池セルは中空平板型であり、対向する平坦部の一方側に酸素極又は燃料極が形成され、他方側にインターコネクタが形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック。
10. 請求項１乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタックをハウジング内に収納してなることを特徴とする燃料電池。

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