JP2006210056A - 端部集電部材及びこれを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟性を確保するとともに、断線の危険性なく効率よく電力を取り出すことのできる端部集電部材、これを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の端部集電部材１は、集電部材３を介して複数の燃料電池セル２が直列に接続されてなるスタックの両端に配置された燃料電池セル２に貼着される端部集電部材１であって、外部リード線８１に接続するためのリード線接続部１１と、このリード線接続部１１に連結された集電本体部１２とからなり、集電本体部１２は、伸縮可能な屈曲構造を具備するとともに、リード線接続部１１から遠ざかるに従って徐々に又は段階的に断面積が小さくなることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルスタックから電力を外部に取り出すための端部集電部材及びこれを用いた燃料電池セルスタック、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、燃料電池セル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。

上記の燃料電池セルスタックは、隣り合う燃料電池セルを集電部材を介して電気的に複数個接続することにより得られるものである。このような集電部材としては、導電率の高い金属が採用され、さらに高温下で使用されることから、耐熱金属が好適に採用されている。

この集電部材の形状については、例えば積層された平板型単電池間に設けられるものとして、金属平板と、この金属平板の表裏面に接触状態で設けられる金属薄板とからなり、金属薄板には波状、矩形状、ディンプル状、紡錘状、または短冊状の突部が設けられていることを特徴とする集電板が知られている。（特許文献１参照）。尚、図９には、突部５１が設けられた金属薄板５を示している。

また、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、板状部材の一部に複数のスリットを略平行に形成し、スリット間の集電片６１、６２を押し広げるように両側に交互に突出させてなる集電部材６１１、６２１が知られている（特許文献２参照）。

さらに、上記図１０に示す集電部材形状を利用した構造として、図１１に示すような形状の集電片７１及びリード線接続部７２を具備する端部集電部材７も考えられる。尚、端部集電部材７は燃料電池セルスタックにおいて端部に配置された燃料電池セルの電極（図示しない）から電力を取り出すためのものであるから、図１０のように隣り合う燃料電池セルを接続するために集電片を両側に交互に突出させる必要はなく、図１１に示すように、集電片７は片側に突出するのみでもよい。そして、集電片７１がこれと接触する燃料電池セルの電極から集電を行い、リード線接続部７２に接続されるリード線（図示しない）を介して送り出すようになっている。
特開２００１−０６８１３２号公報 特開２００３−２８２１０１号公報

ここで、燃料電池セルは例えば図６に示すように多層構造になっており、それぞれの層が異なる材質であることから、その製造工程や発電中の還元雰囲気下において層間の膨張率の相違により、しばしば反りや傾斜が発生したり、また熱膨張の差による変位が発生したりする。この時、上記形状の集電部材や端部集電部材では伸縮性が悪く剛性が高すぎて、燃料電池セルの反りに柔軟に追従できず、燃料電池セルから剥離してしまい、これが燃料電池の電圧劣化の原因となっていた。

このような問題に対し、柔軟性・伸縮性を付与するために、例えば集電部材や端部集電部材を細くする（断面積を小さくする）ことが考えられる。

しかしながら、燃料電池セルスタックから電力を取り出す（集電する）ために配置される端部集電部材については、これと接触する燃料電池セルの電極から取り出した電力を、一箇所に集めて、ここからリード線を介して送り出すようになっていることから、単に全体を細くするだけでは効率よく電力を取り出す（集電する）ことができないばかりか、電流密度が高くなった部分に断線が生じる可能性があるという問題がある。従って、端部集電部材を単純に細くすることはできなかった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、柔軟性を確保するとともに、断線の危険性なく効率よく集電することのできる端部集電部材、これを用いた燃料電池セルスタック、燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者等は、燃料電池セルスタックの電力を取り出す端部集電部材の形状について鋭意検討した結果、以下の形状が上記の目的を達成することを見出した。

本発明は、集電部材を介して複数の燃料電池セルが直列に接続されてなるスタックの両端に配置された燃料電池セルに貼着される端部集電部材であって、外部リード線に接続するためのリード線接続部と、該リード線接続部に連結された集電本体部とからなり、該集電本体部は、伸縮可能な屈曲構造を具備するとともに、前記リード線接続部から遠ざかるに従って徐々に又は段階的に断面積が小さくなることを特徴とする端部集電部材である。このような構造により、燃料電池セルの反りに追従でき、また集電本体部全体で取り出した電力を断線の危険性なく効率的にリード線接続部から外部リード線に送ることができる。

ここで、前記集電本体部が、同様の屈曲パターンを繰り返した形状に形成されているのが好ましく、特に、矩形状平板の対向する面から内側に向かって交互にスリットが形成されて蛇行形状に加工されているのが好ましい。このように形成することにより、燃料電池セルの反りに追従できる十分な柔軟性を具備するとともに、集電面積を多くすることができる。

またさらに、前記スリットと隣接する前記集電本体部の幅が略等しくなっており、前記リード線接続部から遠ざかるに従って徐々に又は段階的に狭くなることにより断面積が小さくなるのが好ましい。燃料電池セルの反りは先端側に向かって大きくなる傾向があるので、端部集電部材の遠位端と燃料電池セルの先端が略同じ位置となっている場合、集電本体部の幅が遠位端側に向かって狭くなるとともに屈曲部の数が多くなるこのような構造により、より燃料電池セルの反りに対する追従性がよくなる。

また本発明は、上記の端部集電部材を、集電部材を介して複数の燃料電池セルが直列に接続されてなるスタックの両端に配置された燃料電池セルに貼着したことを特徴とする燃料電池セルスタックである。さらに本発明は、上記の燃料電池セルスタックを収納容器内に収納したことを特徴とする燃料電池である。このような燃料電池セルスタック及び燃料電池により、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。

本発明の端部集電部材によれば、燃料電池セルから効率よく電力を取り出すことが出来る。また、本発明の端部集電部材は十分な柔軟性を確保していることからセルの反りに対しても追従することができ、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。

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１、図７及び図８に示すように、本発明の端部集電部材１は、集電部材３を介して複数の燃料電池セル２が直列に接続されてなるスタックの両端に配置された燃料電池セル２に貼着される端部集電部材１であって、外部リード線８１に接続するためのリード線接続部１１と、このリード線接続部１１に連結された集電本体部１２とからなり、集電本体部１２は、伸縮可能な屈曲構造を具備するとともに、リード線接続部１１から遠ざかるに従って徐々に又は段階的に断面積が小さくなることを特徴とするものである。

端部集電部材１は、図１に示すように、リード線接続部１１と集電本体部１２から構成されている。リード線接続部１１は、図７に示す外部リード線８１に接続される部分であって、特に形状について限定はない。また、リード線接続部１１が設けられる位置についても限定はないが、端部集電部材１の柔軟性及び後述の集電本体部１２の形状を考慮すると、図１のように端部集電部材１の端部（近位端）に配置されるのが好ましい。ここで、端部集電部材１の一端（端部）のことを近位端と定義する。

集電本体部１２は、端部（近位端）に配置されたリード線接続部１１に連結され、一端（近位端）から他端（遠位端）にかけて設けられている。そして、集電本体部１２は伸縮可能な屈曲構造を具備しており、図１に示すように同様の屈曲パターンを繰り返した形状になっている。具体的には、図２に示すように、一点鎖線で区切られたＬ字状屈曲部１２１が連続して接続されることにより、同様の屈曲パターンを繰り返した形状となっており、全体としてちょうど矩形状平板の対向する面から内側に向かって交互にスリット１３が形成されたような形状、いわゆる蛇行形状（ミアンダ形状）となっている。尚、同様の屈曲パターンとは、後述のように、隣り合うＬ字状屈曲部１２１のＬ字の幅が狭くなったり、また単位長さあたりのＬ字状屈曲部１２１の個数が多くなったりというような、厳密には同一ではない形状を含むことを意味するものである。

また、集電本体部１２は、リード線接続部１１から遠ざかるに従って（近位端から遠位端に向けて）段階的に断面積が小さくなるようになっており、具体的には、図２に示すように、集電本体部１２は全体に亘って同一厚みで、リード線接続部１１から遠ざかるに従ってＬ字状屈曲部１２１の幅Ｗ１が段階的に狭くなっている（縮幅に形成されている）。ここで、幅Ｗ１はＬ字状屈曲部１２１の一つごとに狭くなるようになっているが、徐々に狭くなってもよく、またＬ字状屈曲部１２１の二つまたは三つが一定の幅になっていてもよい。端部集電部材１の厚み方向については、図２に示すように全体に厚みが同一であってもよく、また異なっていてもよいが、製造面を考慮すると、全体が同一の厚みの矩形状平板を用いるなどして、幅Ｗ１の調整により集電本体部１２の断面積をリード線接続部１１から遠ざかるに従って（近位端から遠位端に向けて）徐々にまたは段階的に小さくするのが好ましい。尚、ここでいう断面積とは、リード線接続部１１へ向かう電流の流れに垂直な面の面積をいう。

さらに、スリット１３の幅Ｗ２とこれに隣接する集電本体部１２の幅Ｗ１は略等しくなっている。ここで、幅Ｗ１と幅Ｗ２が略等しいのは、電力を取り出すことと、端部集電部材１１が貼着される燃料電池セル２の電極への空気供給を確保する目的から、規定したものである。また、幅Ｗ１と幅Ｗ２が略等しくなっていることから、上述のように幅Ｗ１が狭くなることにより、単位長さあたりのＬ字状屈曲部１２１の個数が多くなっている（ピッチが小さくなっている）。尚、スリット１３の幅Ｗ２とこれに隣接する集電本体部１２の幅Ｗ１が略等しいとは、スリット１３に隣接する集電本体部１２のリード線接続部１１に近い側と遠い側とで幅Ｗ１が異なり、スリット１３の幅Ｗ２をリード線接続部１１に近い側の幅Ｗ１に合わせてもリード線接続部１１から遠い側の幅Ｗ１とは異なるから、このように表現したものである。

このような端部集電部材１は、凹凸形状が互いにずれて配置された上金型と下金型、またはレーザー等を用いて、矩形状平板の対向する側から交互にスリットを形成して、蛇行形状（ミアンダ形状）に加工することにより得られる。端部集電部材１の材質としては、集電部材２と同様の材質であって、Ｆｅ−Ｃｒ系やＦｅ−Ｎｉ系の耐熱性合金等が好ましく採用される。またその厚みは０．３〜０．６ｍｍのものが好ましく採用されるが、特に限定はされない。尚、リード線接続部１１と集電本体部１２は、本例のように矩形状平板により一体に形成されるのが好ましいが、特にこれに限定されるものではない。

ここで本発明においては、図１及び図２に示す集電本体部１２の形状に限定されず、図３に示すようなジグザグ形状（く字状屈曲部４１が連続して接続された形状）や図４に示すようなＳ字状屈曲部４２が接続部４３を介して接続された形状、その他、コ字状屈曲部やドーナツ状屈曲部などが接続部を介して接続された形状も採用できるが、柔軟性及び電力の取り出し効率などの点からは、図１及び図２に示すような蛇行形状（ミアンダ形状）が好ましい。すなわち、蛇行形状（ミアンダ形状）は、図１〜図４を比較してみるとわかるように、燃料電池セル２の電極との接触面積を多くすることができるとともに、他の形状に比して伸縮性がいいので、十分に柔軟性を確保することができ、燃料電池セル２の反りに追従することができるからである。

尚、集電本体部の電気抵抗の点を考慮すると、集電本体部の近位端から遠位端までの距離が短い方がよく、図５に示すように、リード線接続部１１を端部集電部材１の中央部付近に設け、この中央部付近から遠ざかる方向に向けて、図１及び図２に示す形状の集電本体部１２を設けたような形状が好ましい。

次に、本発明の端部集電部材が用いられる燃料電池セル、燃料電池セルスタック、燃料電池について簡単に説明する。

本発明に関わる燃料電池セル２は、図６に示すように、内部に所定の間隔で複数の燃料ガス通路２１ａが形成された平板状の支持基板２１を備え、この支持基板２１上に各種の部材が設けられた構造を有している。

支持基板２１は、横断面が平坦部とこの両端の弧状部とから構成されている。平坦部の対向する一対の面の一方とその両側の弧状部を覆うように燃料極２２が設けられており、さらに、この燃料極２２を覆うように、緻密質な固体電解質２３が積層されており、この固体電解質２３の上には、燃料極２２に対応するように、空気極２４が積層されている。また、燃料極２２及び固体電解質２３が積層されていない平坦部の他方の面には、インターコネクタ２５及びＰ型半導体２６が形成されている。図６から明らかな通り、燃料極２２及び固体電解質２３は、インターコネクタ２５の両サイドにまで延びており、支持基板２１の表面が外部に露出しないように構成されている。

このような構造の燃料電池セル２では、燃料極２２の空気極２４と対面している部分が作動して発電する。即ち、空気極２４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板２１内の燃料ガス通路２１ａ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、空気極２４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極の空気極２４と対面している部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。

空気極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− （固体電解質） ・・（１）
燃料極： Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・（２）
かかる発電によって生成した電気は支持基板２１に取り付けられているインターコネクタ２５を介して集電される。

そして、燃料電池セルスタック１０は、図７に示すように、燃料電池セル２と燃料電池セル２の間に集電部材３を介在させ、複数の燃料電池セル２を直列に電気的に接続し、マニホールド８２上に配置することにより得られるスタックを含む構成からなる。尚、ここでいうスタックとは、燃料電池セル２と集電部材３が交互に直列に電気的接続された束のことを意味し、燃料電池セルスタック１０とは、この束（スタック）に端部集電部材１、セルスタック保持部材８４、マニホールド８２を含めたもののことを意味する。このとき、複数の燃料電池セル２の下端部は、マニホールド８２の上蓋に形成された貫通孔（図示しない）に挿入され、ガラス等で接合されている。そして、スタック両端の燃料電池セル２の外側には図８に示すように端部集電部材１が貼着されており、この端部集電部材１が例えば図１０に示す集電部材のような形状の弾性部材８３を介在させてセルスタック保持部材８４により押圧されるようになっている。尚、端部集電部材１はＰ型半導体２６と同材質である遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる粉末と有機バインダーと溶剤とを混合して作製したペーストを用いて、燃料電池セル２に貼着される。このような構造により、マニホールド８２内に供給された燃料ガスは、燃料電池セル２の燃料ガス通路２１ａを通過して上方へ流れるようになっている。

燃料電池は、上述の燃料電池セルスタック１０を収納容器内に複数収納し、発電に使用するために燃料電池セルに燃料ガスを送り込むための燃料ガス導入管、空気導入管等を配置することにより得られる。このような構造により、電圧低下の少ない長期信頼性のある燃料電池セルスタック及び燃料電池を得ることができる。

尚、本例では、燃料電池セル２とセルスタック保持部材８４で、端部集電部材１と弾性部材８３を挟持するようになっているが、端部集電部材１自体に弾性をもたせて、別途弾性部材８３を配置することのないようにしてもよい。

本発明の端部集電部材の一実施形態の正面図である。 図１に示す端部集電部材１の一部拡大図である。 本発明の端部集電部材の他の実施形態の説明図である。 本発明の端部集電部材のさらに他の実施形態の説明図である。 本発明の端部集電部材のまたさらに他の実施形態の説明図である。 本発明の燃料電池セルスタックに使用される燃料電池セルの説明図である。 本発明の燃料電池セルスタックの説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。 図７（ｂ）のＡ−Ａ線一部端面図である。 従来の集電部材の一例を示す説明図である。 従来の集電部材の他の例を示す説明図である。 本発明と対比される伸縮可能な屈曲構造を具備しない端部集電部材の説明図である。

符号の説明

１：端部集電部材
１１：リード線接続部
１２：集電本体部
１２１：Ｌ字状屈曲部
２：燃料電池セル
３：集電部材
４１：く字状屈曲部
４２：Ｓ字状屈曲部
４３：接続部
１０：燃料電池セルスタック
８２：マニホールド
８３：弾性部材
８４：セルスタック保持部材

Claims (6)

1. 集電部材を介して複数の燃料電池セルが直列に接続されてなるスタックの両端に配置された燃料電池セルに貼着される端部集電部材であって、
   外部リード線に接続するためのリード線接続部と、該リード線接続部に連結された集電本体部とからなり、
   該集電本体部は、伸縮可能な屈曲構造を具備するとともに、前記リード線接続部から遠ざかるに従って徐々に又は段階的に断面積が小さくなることを特徴とする端部集電部材。
2. 前記集電本体部が同様の屈曲パターンを繰り返した形状に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の端部集電部材。
3. 前記集電本体部が、矩形状平板の対向する面から内側に向かって交互にスリットが形成されて蛇行形状に加工されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の端部集電部材。
4. 前記スリットと隣接する前記集電本体部の幅が略等しくなっており、前記リード線接続部から遠ざかるに従って徐々に又は段階的に狭くなることにより断面積が小さくなることを特徴とする請求項３に記載の端部集電部材。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の端部集電部材を、集電部材を介して複数の燃料電池セルが直列に接続されてなるスタックの両端に配置された燃料電池セルに貼着したことを特徴とする燃料電池セルスタック。
6. 請求項５に記載の燃料電池セルスタックを収納容器内に収納したことを特徴とする燃料電池。

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