JP2011204621A - セル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池。 - Google Patents

Abstract

【課題】セル集合体と前記セル集合体を保持する保持部材と、保持部材の一部にセル集合体と電気的に接合する集電部を備えるセル集合体ユニットにおいて、集電部と保持部材の間には絶縁部材を有するが、絶縁部材が破損し、絶縁破壊を起こしてしまう課題があった。
【解決手段】
燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、前記燃料電池セルが複数電気的に接続される燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体を囲み押圧する保持部材と、
前記保持部材の外側に配置される前記燃料電池セル集合体からの電気を取り出す集電部とを備えるセル集合体ユニットであって、前記保持部材と前記集電部とを締結する締結部を備え、前記締結部は締結部本体と前記締結部が嵌合されるワッシャ―部からなり、前記ワッシャ―部は前記保持部材を抑えつけるテーパ部を備え、前記保持部材と前記ワッシャ―部で挟持される絶縁性無機繊維シートを備える構造をとる。
【選択図】図１９

Description

本発明は例えば家庭で消費される電力を供給するために都市ガス等を利用して発電する燃料電池に使用するセル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池に関する。

近年の地球温暖化対策の一環として発電効率に優れ環境に与える負荷の低減を図ることができる燃料電池の開発が進められている。係る燃料電池は、都市ガスやプロパンガス等を改質し、水素リッチのガスとして酸素と反応させて発電する一種の発電装置である。このような燃料電池は、分散設置型の発電装置で、家屋や店舗、工場ごとに設置でき、電力供給ロスが少ないのでその開発ニーズが高まっている。

このような燃料電池の製造工程の簡略化を図るために、特許文献１に記載のような燃料電池セル集合体ユニット（以下、単に「セル集合体ユニット」とする）の構造が知られている。この特許文献1に記載のセル集合体ユニットは、同文献の段落（００１８）、（００１９）及び図４に示すように、セルの燃料極側と電気的に接続した下面保持部材及びセルの空気極側と電気的に接続した上面保持部材により２×３即ち６本のセルを挟み込むと共に、この両保持部材の幅方向両側を所定間隔隔てて側面保持部材で連結している。そして、側面保持部材と上下面保持部材が導通しないようにそれらの各接続部で絶縁リングやセラミック絶縁シートを介して絶縁している。すなわち、燃料電池セル集合体（以下、単に「セル集合体」とする。）と保持部材は電気的に導通している。

特開２００７−３３５２２６号公報

上述した特許文献１に記載されたセル集合体ユニットは、側面保持部材と上下面保持部材が導通しないようにそれらの各接続部で絶縁リングやセラミック絶縁シートを介して絶縁していており、ハンドリング時に絶縁部材が破損し、絶縁破壊を起こす事があった。

本発明の目的は、燃料電池に用いられるセル集合体ユニットであって、ハンドリング時に絶縁部材が破損する事無く、絶縁状態を維持できるセル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池を提供することにある。

燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルが複数電気的に接続される燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を囲み押圧する保持部材と、
前記保持部材の外側に配置される前記燃料電池セル集合体からの電気を取り出す集電部とを備えるセル集合体ユニットであって、
前記保持部材と前記集電部とを締結する締結部を備え、
前記締結部は締結部本体と前記締結部が嵌合されるワッシャ―部からなり、
前記ワッシャ―部は前記保持部材を抑えつけるテーパ部を備える構造をとっている。

本発明によると、集電部に対して保持部材が横ズレする事がなく、絶縁破壊しないので、集電部と保持部材の間で短絡する事がないハンドリング性の良好なセル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るセル集合体ユニットを複数備えた燃料電池を示す斜視図である。 図１に示した燃料電池の平面図である。 図１に示した燃料電池の設置部分を示すと共に、燃料電池容器の側板の一部及びその周囲の断熱材を取り去って示す斜視図である。 図１に示した燃料電池のセル集合体ユニットを示す斜視図である。 図４に示したセル集合体ユニットの上部端面図である。 図４に示したセル集合体ユニットの接続部の形成位置において、ユニット長手方向と直交する方向に沿って示した断面図である。 図４に示したセル集合体ユニットのセルなし状態、即ちフレームのみを示す斜視図である。 図７に示したフレームの右側、即ち上部側端面を拡大して部分的に示す斜視図である。 図７に示したフレームの下側延在部を、そのねじ止め固定部に沿って幅方向に切断して示す断面斜視図である。 図９に対応する断面図であり電気接続部における幅方向断面図である。 図７に示したフレームの側方保持板の延在位置において部分的に切断して示す断面図である。 図１１に対応する断面図であり、フレームのねじ締め固定部における部分的断面図である。 図１１に対応する断面図であり、電気接続部における部分的断面図である。 図５及び図６に対応する本実施形態の断面図であり、接続部以外の部分においてセル集合体の長手方向と直交する方向に切断して示す断面図（図１４（ａ））及び接続部においてセル集合体の長手方向と直交する方向に沿って示す断面図である。 燃料電池の容器を省略してセル集合体ユニットが３つ並んだ４つのセルブロックとおよびこれを支持する部分のみを示す斜視図である。 図１４に対応する本実施形態の変形例の断面図である。 図４に示したセル集合体ユニットを隣接接合させた状態の上部端面図である。 図４に示したセル集合体ユニットの保持部材と集電部を締結した位置を拡大した断面図である。 図１８における円形絶縁性無機繊維シートにかかる締付力を図示したものである。 セル集合体ユニットの保持部材と固定ワッシャにテーパ構造が無い場合の説明図である。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用及び効果について説明する。

燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルが複数電気的に接続される燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を囲み押圧する保持部材と、
前記保持部材の外側に配置される前記燃料電池セル集合体からの電気を取り出す集電部とを備えるセル集合体ユニットであって、
前記保持部材と前記集電部とを締結する締結部を備え、
前記締結部は締結部本体と前記締結部が嵌合されるワッシャ―部からなり、
前記ワッシャ―部は前記保持部材を抑えつけるテーパ部を備える構造をとっている。

その結果、集電部に対して保持部材が横ズレする事がなく、絶縁破壊しないので、集電部と保持部材の間で短絡する事がないハンドリング性の良好なセル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るセル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池について図面に基づき説明する。なお、以下の説明にあたって、上下方向や高さ方向、幅方向等の用語については、燃料電池を図１に示すように実際に設置した状態及び図４に示すセル集合体ユニットの配置状態を基準とした方向として示すものとする。

本発明における、保持部材は、第１の長手側保持板１２１及び、第２の長手側保持板１２２を示す。

本発明における、集電部は、第３の集電板１３３を示す。

最初に本発明の一実施形態にかかるセル集合体ユニットを備えた燃料電池の全体構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した燃料電池の平面図である。また、図３は、図１に示した燃料電池の設置部分を示すと共に、燃料電池容器の一部側壁及びその周囲の断熱材を取り去って示した斜視図である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池１０は、図１乃至図３に示すように、複数の燃料電池セル１１０（図４参照）を電気的かつ構造的に接続したセル集合体ユニット１００と、セル集合体ユニット１００が収容配置されセル集合体ユニット挿入側部分を一部に有した燃料電池容器２００と、セル集合体ユニット１００によって発電した電気をセル集合体ユニット１００から燃料電池容器２００の外部に取り出す陽極側電気取り出し部３１０及び陰極側電気取り出し部３２０（図３参照）とを備えている。

以下、これらの各構成要素について詳細に説明する。図１乃至図３に示す燃料電池容器２００は、フェライト系ステンレス鋼でできた４枚の側板と、同じくフェライト系ステンレス鋼でできた１枚の底板の各縁部を溶接接合して作られており、上部が開口した箱体形状を有している。なお、各側板に形成されたリブ２０１は燃料電池作動時に発生する熱応力により燃料電池容器２００の変形を防ぐ役目を果たしている。

燃料電池容器２００の上部は後述するセル集合体ユニット挿入側部分２１０をなし、セル集合体ユニット挿入側部分２１０の上端がセル集合体ユニット挿入口２１１として開口している。

図１における手前側の側板のセル集合体ユニット挿入口２１１から約５０ｍｍ程度下方に陽極側電気取り出し部３１０と陰極側電気取り出し部３２０のそれぞれの外部側取り出し部３１３，３２３を挿通収容するロッド挿通部２５２，２６２が所定間隔隔てて平行に突出形成されている。

また、陽極側電気取り出し部３１０と陰極側電気取り出し部３２０とが、陽極側電気取り出し延在部３１５及び陰極側電気取り出し延在部３２５のそれぞれ一方の端部にセル側取り出し部を備えると共に、他方の端部に外部側取り出し部３１３，３２３を備えている。そして、各電気取り出し部３１０，３２０と外部側取り出し部３１３，３２３との間には両者を着脱可能に接続する接続部３１６，３２６を備え、燃料電池容器２００のセル集合体ユニット挿入側部分２１０に各接続部３１６，３２６が位置するようになっている（図３参照）。

４枚の側板の周囲は、図１に一部を示すシリカ系の断熱材２５５で覆われている。また、底板の四隅からはＬ字鋼をなす４本の支持脚２２１が下方に突出形成され（図３参照）、その下端部は平面部２２２をなし、それぞれ２つの燃料電池取付け孔２２２ａが形成されている。そして、底板の下部にも底板下面の大部分を覆うシリカ系の断熱材２５６が取付けられている。

燃料電池容器２００のセル集合体ユニット下端部と底板との間には、ここでは詳細には示さないが、燃料ガスを充填させる燃料ガス室が形成され、図２においてＴ字型をなすガス供給部２６１から燃料ガスが供給されるようになっている。なお、この燃料ガスは、都市ガス等を改質して得られる水素リッチの改質ガスである。

燃料ガス室の上面は、ここでは詳細には図示しない分散板が載せられている。分散板には、燃料電池容器２００に挿入収容される後述するセル集合体ユニット１００の隣接するセル間の隙間に対応する位置に大きめの燃料ガス供給孔が形成されると共に、それ以外の部分に小さめの燃料ガス供給孔が形成されている。そして、これらの燃料ガス供給孔を介してセル集合体ユニット１００の隣接するセル同士の隙間に燃料ガスを効率良く供給するようになっている。

続いて、セル集合体ユニット１００を構成する個々の燃料電池セル１１０（以下単に「セル１１０」とする）の構造について説明する。セル１１０は、ここでは詳細には図示しないが、支持体を兼ねた細長い有底円筒体形状の空気極と、空気極の表面を覆う電解質と、電解質の表面を覆う燃料極とから構成されている。空気極は、ランタン（Ｌａ）とマンガン（Ｍｎ）の酸化物にストロンチウム（Ｓｒ）を含有した材質でできており、押出成形で作られている。また、空気極は、支持体を兼ねるために厚さ約２ｍｍ程度の細長い有底円筒体形状をなし、その下端部が徐々に縮径し、端面略Ｕ字状をなす底部が備わっている。

なお、空気極の上端開口部からは空気極の外径よりもかなり小さい外径を有する空気供給パイプが空気極の底部近傍まで挿通されるようになっている。これによって、空気極の内部に空気（酸素）を十分供給することができるようにしている。

電解質は、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）でできており、空気極の外側面をディッピングする（浸漬する）ことで形成されている。

燃料極は、金属のニッケル（Ｎｉ）にイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を混ぜてできており、電解質の形成後にテープ状の燃料極素材を巻き付けて焼成することで形成されている。

また、セル１１０の長手方向ほぼ中央部には、インターコネクタ（図１４におけるインターコネクタ１１０ａ参照）が突出形成されている。インターコネクタは、ランタン（Ｌａ）とクロム（Ｃｒ）の酸化物にカルシウム（Ｃａ）を混ぜた材質でできており、空気極と導通し電解質及び燃料極とは非導通の状態でセル周方向外側に突出形成され、その先端面が隣接するセル１１０の燃料極にニッケルフォーム（図１４におけるニッケルフォーム１１１参照）を介して電気的に接続されるようになっている。これによって、セル集合体ユニット内の全てのセル１１０を電気的に直列接続し、個々のセル１１０の発電量を総和した発電量がセル集合体ユニット単体の発電量となるようにしている。

続いて、本発明の特徴的部分であるセル集合体ユニットの構造について説明する。図４は、図１に示した燃料電池のセル集合体ユニットを示す斜視図である。また、図５は、図４に示した燃料電池セルのセル開口部側（図４における右側）端面図である。また、図６は、図４に示したセル集合体ユニットの電気接続部の形成位置においてユニット長手方向と直交する方向に沿って示した断面図である。また、図７は、図４に示したセル集合体ユニットのセルなし状態、即ちフレームのみを示す斜視図である。また、図８は、図７に示したフレームの右側、即ち上部側端面を拡大して部分的に示す斜視図である。また、図９は、図７に示したフレームの下側延在部を、そのねじ締め部に沿って幅方向に切断して示す断面斜視図である。また、図１０は、図９に対応する断面図であり電気接続部の折り曲げ部における幅方向断面図である。また、図１１は、図７に示したフレームの側方保持板の延在位置においてこれの長手方向と直交する方向に沿って示す部分的断面図である。また、図１２は、図１１に対応する断面図であり、フレームのねじ締め保持部における部分的断面図である。また、図１３は、図１１に対応する断面図であり、電気接続部の折り曲げ部における部分的断面図である。図１７は、図５に示すセル集合体ユニットを隣接させて電気的に接合させた部分の端面図である。なお、図８乃至図１３は、図７に示すフレーム１００Ｆの下部の詳細断面図であるが、図１４に示すフレーム１００Ｆの上部も同様の構成を有している。また、図８乃至図１３では、各構成要素の符号の引き出し位置を明確にするために断面ハッチングを省略して示している。

セル集合体ユニット１００は、本実施形態では３×６本、即ち１８本のセル１１０をマトリックス状に配置しかつ電気的に直列に接続したセル集合体１１０Ａと、このセル集合体１１０Ａの電気的な直列接続状態を保ちながらセル集合体１１０Ａを保持するフレーム１００Ｆを備えている。そして、フレーム１００Ｆには電気的に直列に接続したセル集合体１１０Ａの２つの電気的な端部をなす２つの集電部１３０を備えている。

フレーム１００Ｆは、保持板１２０と、第１の集電板１３１、第２の集電板１３２、及び第３の集電板１３３からなる集電部１３０と、保持板１２０と集電部１３０を絶縁する絶縁部と、第１の集電板１３１の一部と第３の集電板１３３の一部を電気的に接続すると共に、セル集合体ユニット同士を電気的に直列接続する役目を果たす電気接続部１６０と、を備えている。

保持板１２０は、図７乃至図１３に示すように、２枚のセル長手方向保持板１２１，１２２（以下、単に「長手側保持板１２１，１２２」とする）と、各長手側保持板１２１，１２２の両端部の両縁と一定の幅にわたって結合する４枚のセル側方保持板１２５（以下、単に「側方保持板１２５」とする）を備えている。なお、これら２枚の長手側保持板１２１，１２２と４枚の側方保持板１２５は、本実施形態の場合、合計１８本のセル１１０を電気的に直列接続するのを維持するのに十分な強度を有する厚さを有するフェライト系ステンレス鋼でできている。

長手側保持板１２１，１２２は、図８乃至図１３に示すように、セル側（フレーム内側）に位置する第１の長手側保持板１２１と、第１の長手側保持板１２１に対してセル１１０と反対側に位置する第２の長手側保持板１２２からなり、本実施形態の場合、第１の長手側保持板１２１と第２の長手側保持板１２２が互いにスポット溶接で重ね合わされることで形成されている。また、第１の長手側保持板１２１は、その両端部の両側の縁部が切り欠かれて第２の長手側保持板１２２よりも幅狭に形成されている。また、これ以外の第１の長手側保持板１２１の幅は第２の長手側保持板１２２の幅と同一となっている。

一方、側方保持板１２５の長手方向両端部は、わずかな幅で同一方向に直角に折り曲げられ、各端部折り曲げ部１２５ａが互いに対向配置されており、この部分が２枚の第２の長手側保持板１２２との保持板接続部ｆｃとなっている（図８では下側の接続部のみ図示）。

また、第１の長手側保持板１２１の両端部の両側の切欠部によってセル側に露出した第２の長手側保持板１２２の細長領域１２２ａ（図８参照）は、上述した側方保持板１２５と接続する保持板接続部ｆｃとなっている。なお、第１の長手側保持板１２１と側方保持板１２５とは、本実施形態の場合、ねじによって結合されている。

第１の長手側保持板１２１の側方保持板間で挟まれる部分においては、幅方向両縁部から対向する他の第１の長手側保持板１２１に向かって高さの低い起立部１２１ａ（図８参照）が形成されている。また、第１の長手側保持板１２１には、幅方向に２つの周面テーパ付きのフレーム位置決め固定孔１２１ｈが備わっている（図９参照）。また、一部のフレーム位置決め固定孔１２１ｈの近傍には、セル側に向かって高さの低い切り起こし部１２１ｔが形成されている（図８参照）。また、第１の長手側保持板１２１の起立部近傍には電気接続部１６０が形成される位置に対応して矩形状の電気接続部貫通孔１２１ｆが形成されている（図１０参照）。なお、この電気接続部貫通孔１２１ｆの幅は、電気接続部１６０の接続用折り曲げ部１６２の幅よりも広く形成され、両者間で隔間が保たれることで第１の長手側保持板１２１及び第２の長手方向保持板１２２が電気接続部１６０に対して電気的に絶縁されるようになっている。

また、第２の長手側保持板１２２には、第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈに対応する位置にフレーム固定孔１２２ｈが形成されている（図９参照）。フレーム固定孔１２２ｈは、その内径がこれを貫通するねじの外径よりも若干大きく形成され、フレーム固定孔１２２ｈを貫通するねじと第２の長手方向保持板１２２との間で一定の隙間を保つことで、第２の長手側保持板１２２がねじに対して電気的に絶縁されるようになっている。

第１の長手側保持板上には、アルミナのセラミックからなる矩形状の絶縁板１４１が多数直列に並べて配置されている（図８乃至図１３参照）。なお、この絶縁板１４１の幅方向両縁は、第２の長手側保持板１２２の幅方向両縁よりも若干内側に位置するようになっており、第２の長手側保持板１２２と側方保持板１２５との保持板接続部ｆｃと干渉しないようになっている。

即ち、第２の長手側保持板上の、側方保持板１２５を接続する保持板接続部ｆｃを除く第１の長手側保持板１２１の平面部に絶縁板１４１が配置されていることになる。これは換言すると、複数のセル１１０を挟み込まない状態で第２の長手側保持板１２２の長手方向所定間隔隔てかつ幅方向両側を連結する側方保持板１２５の、第１の長手側保持板１２１との保持板接続部ｆｃを避けて形成された第１の長手側保持板１２１の平面上に絶縁板１４１が備わっていることになる。

なお、絶縁板１４１には第１の長手方向保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈに対応する位置にフレーム固定孔１４１ｈが形成されると共に、第１の長手側保持板の電気接続部貫通孔１２１ｆに対応する位置に同様の電気接続部貫通孔１４１ｆが形成されている（図１３参照）。なお、第１の長手側保持板上に配置された複数の絶縁板１４１のうち、第１の長手側保持板１２１の長手方向両端の絶縁板１４１には、第１の長手側保持板１２１の切り起こし部貫通孔（ここでは図示せず）が形成され、この切り起こし部貫通孔に第１の長手側保持板１２１の切り起こし部１２１ｔが係合することで、絶縁板１４１がセル集合体ユニット１００からずれ落ちないようになっている（図８、図１１乃至図１３参照）。

一方、各側方保持板１２５には内側に向かって切り起こし部１２５ｔが形成され、この切り起こし部１２５ｔを介して絶縁板１４５を各側方保持板１２５の内側に重ね（図８、図１１乃至図１３参照）、各側方保持板近傍の各セル１１０に備わっている導電性のニッケルフォーム１１１に対して各側方保持板１２５が絶縁を保つようになっている。

絶縁板１４１の上面には、幅方向一側に幅広の第１の集電板１３１が重ねられ、幅方向他側に幅狭の第２の集電板１３２が重ねられている（図８乃至図１０参照）。なお、これら第１及び第２の集電板１３１，１３２は、本実施形態の場合、厚さの薄いニッケル板でできている。第１の集電板１３１と第２の集電板１３２とは互いに所定の間隔で離間しており、電気的な絶縁が保たれている。そして、幅広の第１の集電板１３１には第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈに対応する位置に同様のフレーム固定孔１３１ｈが形成されている（図９及び図１０参照）。また、幅広の第１の集電板１３１には、各絶縁板１４１の端部当接部に対応する位置に幅方向を長手方向とする長孔１３１ｐが形成されている（図１０参照）。

また、幅狭の第２の集電板１３２の、絶縁板１４１及び第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈ、第２の長手側保持板１２２のフレーム固定孔１２２ｈに対応する位置には、このフレーム位置決め固定孔１２１ｈに取り付けられる金属製のテーパ付固定用ワッシャ１５１及びこれに対応するフェルト状の円形絶縁性無機繊維シート１５２が備わると共に（図９、図１０、図１２参照）、テーパ付固定用ワッシャ１５１の外周部に対応して円形絶縁性無機繊維シート１５２と干渉しないための切欠き１３２ｔが形成されている（図９参照）。

図８に示す下側の絶縁板上には、図中左側に幅広の第１の集電板１３１が配置されると共に、図中右側に幅狭の第２の集電板１３２が配置されている。一方、図８では示さない上側の絶縁板上には、図中左側に幅狭の第２の集電板１３２が配置され、図中右側に幅広の第１の集電板１３１が配置されている。即ち、幅広の第１の集電板１３１と幅狭の第２の集電板１３２とは、セル集合体ユニット１００の下側の絶縁板１４１と上側の絶縁板（図示せず）に夫々対角をなして配置されている。

なお、幅広の第１の集電板１３１は、図１４に示すように隣り合う２列のセル１１０と導電性のニッケルフォーム１１１を介して電気的に接続すると共に、幅狭の第２の集電板１３２は、一方の面が２列のセル以外の１列のセル１１０と導電性のニッケルフォーム１１１を介して電気的に接続する。一方、幅狭の第２の集電板１３２の他方の面は、電気接続部１６０を介してセル集合体ユニット１００の外側面に配置された後述する第３の集電板１３３に電気的に接続されるようになっている。これによって、セル集合体ユニット１００の一方の第１の集電板１３１及び接続板（図８に示す下側の第１の集電板１３１及び接続板１６１）を第１の電気的端部とし、他方の第１の集電板及び接続板（図８には示さない上側の第１の集電板及び接続板）を第２の電気的端部としてフレームで保持される合計１８本のセル１１０を電気的に直列接続するようになっている。

第２の長手側保持板１２２の外側面、即ち第１の長手側保持板１２１との反対側面には、第２の長手側保持板１２２とほぼ同等の大きさを有するアルミナの絶縁シート１４２が配置されている（図１１乃至図１３参照）。なお、この絶縁シート１４２には上述した第１の長手側保持板１２１に形成されたフレーム位置決め固定孔１２１ｈ及び第２の長手側保持板１２２並びに絶縁板１４１に形成されたフレーム固定孔１４１ｈに対応する同様のねじ挿通孔１４２ｈが形成されている（図１２参照）。なお、第３の集電板１３３のフレーム位置決め固定孔１３３ｈの内周面には雌ねじ部が形成され、このフレーム位置決め固定孔１３３ｈにフレーム固定ねじ（図示せず）の先端の雄ねじ部が螺合するようになっている。

絶縁シート１４２の外側、即ち第２の長手側保持板１２２との反対側には、第３の集電板１３３が配置されている（図８乃至図１３参照）。この第３の集電板１３３は、本実施形態の場合、フェライト系ステンレスでできており、第１及び第２の集電板１３１，１３２よりも厚さが厚くなっている。そして、第３の集電板１３３には、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２並びに絶縁板１４１に形成された電気接続部貫通孔１４１ｆに対応する位置に同様の電気接続部貫通孔１３３ｆが形成されている（図１３参照）。

電気接続部１６０は、第２の集電板上の幅方向一側に偏倚しかつ長手方向に沿って延在する２枚の細長の接続板１６１と、各接続板１６１に所定間隔隔てて形成され各構成の電気接続板貫通孔を貫通する接続用折り曲げ部１６２と、幅狭の第２の集電板１３２と重なり、これに電気的に接続されるセル側折り曲げ部１６３からなる。電気接続部１６０のこの折り曲げ部は、２つの同一形状を有する端面視角型Ｃ字状をなし、図１０に示すように第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２、絶縁板１４１、幅狭の第２の集電板１３２、絶縁シート１４２、及び第３の集電板１３３の夫々に形成された電気接続部貫通孔を端面視で互いに対称をなすように貫通している。なお、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２の電気接続部貫通孔１２１ｆ，１２２ｆの内側縁部と接続用折り曲げ部１６２は互いに離間して、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２が接続用折り曲げ部１６２に対して絶縁されるようになっている。そして、接続用折り曲げ部１６２の更に先端、即ちセル側折り曲げ部１６３は、幅狭の第２の集電板１３２と絶縁板１４１との間に挟まれ、電気接続部１６０を介して幅狭の第２の集電板１３２と第３の集電板１３３とを電気的に導通するようになっている。

上述したように第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２、および第３の集電板１３３には、長手方向所定間隔隔てて幅方向２つずつそれぞれフレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈと共に、フレーム固定孔１３３ｈが形成される。フレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈの内径は本発明における締結部である固定ジ１５３の軸径よりも十分に大きくなっている。図１８に示すように第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２の内側に形成されるフレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈには谷型の第１テーパ面１２１ｐ、１２２ｐを備えている。本発明における前記締結部が嵌合されるワッシャ―部であるテーパ付固定用ワッシャ１５１は、金属製で、中央平坦部にねじ挿通孔１５１ｈを有しており、第２テーパ面１５１ｐは、第１テーパ面１２１ｐ、１２２ｐと傾きが同等である。

この第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２の内側は、フレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈに、円形絶縁性無機繊維シート１５２とテーパ付固定用ワッシャ１５１を嵌め込み重ねられている。第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２の外側は、絶縁性無機繊維シート１４２を、フレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈの中心と、絶縁性無機繊維シート１４２のねじ固定孔１４２ｈの中心を合わせて重ね、更に第３の集電板１３３を、フレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈの中心と、ねじ固定孔１３３ｈの位置を合わせて重ねられている。最後に、テーパ付固定用ワッシャ１５１のねじ挿通孔１５１ｈに固定ねじ１５３を挿通し、この固定ねじの雄ねじ部を第３の集電板１３３フレーム位置決め固定孔１３３ｈの内周に形成された雌ねじ部に螺合させるようになっている。

固定ネジ１５３の軸の外径より、フレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈの内径は十分大きいこと事から、長手側保持板と第３の集電板１３３とは確実に絶縁ができる。
更に、絶縁性無機繊維シート１４２と円形絶縁性無機繊維シート１５２とを用いる事で、組立時や、輸送時での、絶縁破壊を防ぐ事ができる。

しかし、図２０に示すように、長手側保持部材１２１，１２２のフレーム位置固定穴１２１ｈ、１２２ｈや、固定ワッシャ１５９にテーパ面が無い場合、輸送等の振動で、長手側保持部材１２１，１２２が、第３の集電板１３３に対して振動し、無機絶縁性繊維シート１４２と円形絶縁性無機繊維シート１５２が崩れて絶縁破壊を起こし、長手側保持部材１２１、１２２と第３の集電板１３３が短絡してしまう事があった。

そこで、図１９に示すように、テーパ付ワッシャ１５１の第２テーパ面１５1ｐと第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２に形成される第１テーパ面１２１ｐ、１２２ｐで円形絶縁性無機繊維シート１５２を面で均等に潰す事により、締付力１５５が発生し、この力により、Ｘ軸方向に締付力１５５ｘとＹ軸方向締付力１５５ｙが作用する。固定ネジ１５３のＸ軸方向を等方的にＸ軸方向締付力１５５ｘが作用する事で、第３の集電板１３３に対し、長手側保持部材１２１，１２２のズレを防止する事ができる。 更に、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２のフレーム位置決め固定孔１２１ｈ、１２２ｈと、第３集電板１３３のねじ固定孔１３３ｈの中心が合致した状態で、固定ねじ１５３を螺合させることで、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２と第３の集電板１３３との位置関係が規定通り（設計通り）に組立事ができる。尚、第２テーパ面１５３ｐと第１テーパ面１２１ｐ，１２２ｐとテーパ面の角度が一致しない場合は、円形絶縁性無機繊維シート１５２の一部に締め付け力が集中する事で、円形絶縁性無機繊維シート１５２破れ絶縁破壊を起こす事がある。

次に図１７を用いて、図４に示すセル集合体ユニット１００が隣接配置した場合について説明する。紙面右側のセル集合体ユニット１００Ｒ、紙面左側のセル集合体ユニット１００Ｌはそれぞれの側方保持板１２５が、隣接するように配置されている。
それぞれのセル集合体ユニット内部では、矢印の方向に電流が流れるようにセルが直列配置されており、セル集合体ユニット１００Ｒにおいては、上方の第３の集電板１３３が陰極を形成し、下方の第３の集電板１３３が陽極を形成している。
また、セル集合体ユニット１００Ｌにおいては、上方の第３の集電板１３３が陽極を形成し、下方の第３の集電板１３３が陰極を形成している。
セル集合体ユニット１００Ｒの電気接続部１６０ａと、セル集合体ユニット１００Ｌの電気接続部１６０ｂとを第四の集電板１３４を介して直列に接合されている。この場合、電流は、セル集合体ユニット１００Ｒの右下部より、セル集合体ユニット１００Ｌの左下部へ矢印の方向に沿って流れる構成となっている。

前述のように、第３の集電板１３３は、セル集合体１１０Ａと電気接続部１６０を介して、電気的に接合している。また、第３の集電板１３３は、長手側保持板１２１，１２２よりも外側に配置されている。更に、第３の集電板１３３は、長手側保持板１２１，１２２よりも幅が狭くなっている。言い換えると、図１７のＡで示す箇所において、集電板の端部が長手側保持板の端面より内側に位置している。尚、第３の集電板は、絶縁シート１４２を介する事で、長手側保持板１２１，１２２と絶縁されている。
よって、セル集合体ユニット１００Ｌとセル集合体ユニット１００Ｒが近接配置した場合でも、短絡を防止する事ができる。

続いて、上述した構成を有するセル集合体ユニット１００の組み付け手順について例示的に説明する。具体的には、最初に側方保持板１２５を介して互いに対向配置される２枚のフレーム長手側延在部を組み付ける。この組み付けにあたって、例えばスポット溶接によって重ね合わされた第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２を用意し、この第２の長手側保持板上に絶縁シート１４２を重ねる。この際、第２の長手側保持板１２２のフレーム固定孔１２２ｈに絶縁シート１４２のねじ挿通孔１４２ｈを合致させる。

次いで、絶縁シート上に第３の集電板１３３を重ねる。この際、絶縁シート１４２のねじ挿通孔１４２ｈに第３の集電板１３３のフレーム位置決め固定孔１３３ｈを合致させる。

次いで、第２の集電板上に電気接続部１６０の接続板１６１を位置決めし、ねじ等で第３の集電板１３３に固定する。この際、電気接続部１６０の接続用折り曲げ部１６２は、接続板１６１に対して起立させた状態で第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２及び絶縁シート１４２に形成された電気接続部貫通孔１２１ｆ，１２２ｆ，１４２ｆを貫通させる。

次いで、これらを裏返して第１の長手側保持板１２１を上に向け、上面視で第２の長手側保持板１２２が露出した部分でありかつ後に側方保持板１２５を取り付ける保持板接続部ｆｃを避けて第１の長手側保持板上に絶縁板１４１を重ねる。

この際、第１の長手側保持板１２１から起立した切り起こし部１２１ｔに対応する絶縁板１４１の係合孔を係合させると共に、絶縁板１４１の電気接続部貫通孔１４１ｆに電気接続部１６０の未だ起立状態にある接続用折り曲げ部１６２を貫通させる。また、これと同時に第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈに絶縁板１４１のフレーム固定孔１４１ｈを合致させる。

次いで、電気接続部１６０の接続用折り曲げ部１６２を更に折り曲げてセル側折り曲げ部１６３として絶縁板上に当接させた後、絶縁板上の所定位置に幅広の第１の集電板１３１及び幅狭の第２の集電板１３２を互いに離間した状態で重ねる。この際、絶縁板１４１のフレーム固定孔１４１ｈに幅広の第１の集電板１３１のフレーム固定孔１３１ｈを合致させると共に、幅狭の第２の集電板１３２の切欠きを合致させる。また、電気接続部１６０のセル側折り曲げ部１６３に幅狭の第２の集電板１３２を重ね、これをビス止めする。

次いで、絶縁板１４１の若干大きめに形成されたフレーム固定孔１４１ｈを介して露出した第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈの夫々に円形絶縁性無機繊維シート１５２を重ねる。

次いで、外周面がテーパ面となったテーパ付固定用ワッシャ１５１を第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔上に置く。

次いで、フレーム固定ねじをテーパ付固定用ワッシャ１５１及び円形絶縁性無機繊維シート１５２のねじ挿通孔１５１ｈ，１５２ｈ、第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈ、絶縁シート１４２のフレーム取付け孔に挿通し、第３の集電板１３３のフレーム位置決め固定孔１３３ｈの雌ねじ部に螺合させる。

この作業によって、テーパ付固定用ワッシャ１５１の外周テーパ面が第１の長手側保持板１２１のフレーム位置決め固定孔１２１ｈの内周テーパ面に押し付けられ、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２と第３の集電板１３３との相対位置を規定通りに位置合わせすることができる。即ち、第１及び第２の長手側保持板１２１，１２２と集電部１３０、電気接続部１６０との間の絶縁を確保する。

このようにして、２枚のフレーム長手側延在部を組み付けた後、第２の長手側保持板１２２の四隅であって第１の長手側保持板１２１の幅狭部によって露出しかつ絶縁板１４１が重ね合わされていない部分、即ち第２の長手側保持板１２２に側方保持板１２５の端部折り曲げ部１２５ａを当ててねじによって両者をしっかりと固定して保持板接続部ｆｃを形成する。

４枚の側方保持板１２５を第２の長手側保持板１２２に固定した後、３×６本、即ち１８本のマトリックス状に予め配置したセル集合体１１０Ａを第２の長手側保持板上に載せる。この際、４枚の側方保持板１２５の自由端部を広げてセル集合体１１０Ａを上側から第２の長手側保持板上に載せる作業を行うが、側方保持板１２５と第２の長手側保持板１２２との間には絶縁板１４１が介在していない。即ち、セル集合体１１０Ａを挿入するために側方保持板同士の間隔を無理やり拡げても、第１の長手側保持板１２１の平面部に配置された絶縁板１４１に過大な応力が作用することはない。そのため、セル集合体ユニット組付け時におい絶縁板１４１を破損させる虞もない。

次いで、側方保持板１２５の自由端部に残りのフレーム長手側延在部を取り付ける。この際、第２の長手側保持板１２２と側方保持板１２５との接続部に側方保持板１２５の端部折り曲げ部１２５ａを当ててねじによって両者をしっかりと固定する。以上のようにしてセル集合体ユニット１００の組み付けを完了する。

このようにして組み付けたセル集合体ユニット１００を例えば工場内で燃料電池容器まで搬送（ハンドリング）する際に、それ自身の重量がかなりあるため、第２の長手側保持板１２２と側方保持板１２５との間の保持板接続部ｆｃに過大な応力が発生するが、この部分には絶縁板１４１は配置されておらず、第１の長手側保持板１２１の平面部に配置された絶縁板１４１に過大な応力が作用することはない。そのため、セル集合体ユニットの搬送（ハンドリング）時において絶縁板１４１を破損させる虞もない。

なお、係るセル集合体ユニット１００は上述した燃料電池容器２００のセル集合体ユニット挿入側部分２１０の上部に形成されたセル集合体ユニット挿入口２１１から挿入される。

本実施形態では、３つのセル集合体ユニット１００を並列に並べて１つのセル集合体ブロック１００Ａとし、このセル集合体ブロック１００Ａを合計４つ、セル集合体ユニット挿入口２１１から燃料電池容器内に挿入収容している。図１５は、燃料電池の容器を省略してセル集合体ユニットが３つ並んだ４つのセルブロックとおよびこれを支持する部分のみを示す斜視図である。ここで、各セル集合体ユニット同士は上述した隣接するセル集合体ユニット１００のユニット集電板同士を幅が狭く細長の金属導体からなるユニット接続板１９１，１９２・・・（図１４参照）で電気的に接続することで、セル集合体ユニット同士が電気的に直列接続されており、４つのセル集合体ブロック同士も上述のユニット接続板１９１，１９２・・・よりも幅広でユニット接続板と同等の長さを有する金属導体からなる図示しないブロック接続板で電気的に接続することで、セル集合体ブロック同士が電気的に直列接続されている。

燃料電池容器内にこのセル集合体ユニット１００を組み付ける場合においても、組み付け作業に伴って第２の長手側保持板１２２と側方保持板１２５との間の保持板接続部ｆｃに過大な応力が発生するが、セル集合体ユニット１００の第１の長手側保持板１２１の平面部に配置された絶縁板１４１に過大な応力が作用することはない。そのため、セル集合体ユニット１００を燃料電池容器２００に組み付ける際においてもセル集合体ユニット１００の絶縁板１４１を破損させる虞もない。

また、図１４は、セル集合体ユニットの接続部以外の部分においてセル集合体の長手方向と直交する方向に切断して示す断面図（図１４（ａ））及び接続部においてセル集合体の長手方向に直交した方向に沿って示す断面図（図１４（ｂ））である。即ち、図１４は、このようにして組み付けた燃料電池容器内のセル集合体ユニットの電気的な接続状態を概略的に説明する平面図である。図１４から分かるように、セル集合体ユニット１００を構成する３×６
本のセル１１０は、６本ずつ３列に並んで配置されている。そして、各列の６本のセル１１０は、インターコネクタ１１０ａ及び導電部材であるニッケルフォーム１１１を介して直列接続されている。

図１４（ａ），（ｂ）における左側の２列のセル列は、その下端部においてフレーム内面の絶縁板１４１上に配置された第１の集電板１３１によって電気的に接続されている。また、図１４（ａ），（ｂ）における右側の２列のセル列は、その上端部においてフレーム内面の絶縁板１４１上に配置された導電部材からなる第１の集電板１３１によって電気的に接続されている。また、図５（ｂ）における最も左側のセル列の上端は、電気取り出し用の２つの断面角型Ｃ字状の切起こし部を長手方向所定間隔で設けた電気接続部１６０によって保持板１２０の外側に配置される第３の集電板１３３に電気的に接続している。また、図５（ｂ）における最も右側のセル列の下端は、電気取り出し用の２つの断面角型Ｃ字状の切起こし部を長手方向所定間隔で設けた電気接続部１６０によって保持板１２０の外側に配置される第３の集電板１３３に電気的に接続している。

保持板１２０（１２１，１２２）は、ここでは図示しない絶縁板１４１を介して集電部１３０及び電気接続部１６０と電気的に独立している。そして、電気接続部１６０のユニット集電板側端面は、図１４（ｂ）では第３の集電板上に形成された接続板１６１からユニット接続板１９１を介して、図中左側の側方に隣接するここでは図示しない別のセル集合体ユニット１００の接続板のユニット集電板側端面に電気的に接続している。そして、電気接続部１６０のユニット集電板側端面は、図１４（ｂ）では第３の集電板上に形成された接続板１６１から電気接続板１９２を介して、図中左側の側方に隣接するここでは図示しない別のセル集合体ユニット１００の接続板のユニット集電板側端面に電気的に接続している。

保持板１２０は、ここでは図示しない絶縁部材を介して集電部１３０及び電気接続部１６０と電気的に独立している。そして、電気接続部のユニット集電板側端面は、図１４に示すユニット接続板１９１，１９２を介して、図中右側の側方に隣接するここでは図示しない別のセル集合体ユニットの電気取り出し接続板のユニット集電板側端面に電気的に接続している。

本実施形態に係るセル集合体ユニット１００がこのような構成を有することによって、セル集合体ユニット１００に含まれる３×６個のセルが直列接続され、かつ本実施形態においてユニット接続板（１９１，１９２・・・）を介して３つのセル集合体ユニット１００が直列接続され、更にはより幅広の接続板を介して隣接する３つのセル集合体ユニット１００を構成する４つのセル集合体ブロック１００Ａを互いに電気的に直列接続するようになっている。

以上説明したように、本実施形態に係るセル集合体ユニットが、セル集合体を保持する保持部材を備え、この保持部材が複数の保持板と保持板同士を接続する接続板とを有すると共に、セル集合体と保持板との間に両者間を絶縁する絶縁部材を備えており、この絶縁部材が接続部を除く保持板上に配置されているので、セル集合体ユニット組み立て時や、セル集合体ユニットの輸送及び燃料電池の組み立て時のユニット？ハンドリング時において、接続部に発生する過大な応力が絶縁部材に作用することがない。その結果、絶縁部材の破損等を防止することができ、信頼性の高いセル集合体ユニット及びこれを備えた燃料電池とすることができる。

なお、上述した実施形態における各構成要素の材質、寸法、個数はあくまで一例として示したもので示したものであり、これらは本発明を逸脱しない範囲で上述した実施形態とは異なる材質、寸法、個数とすることができることは言うまでもない。

例えば、セル集合体ユニットが図１６に示すような形態を有していても構わない。具体的には、集電部の第１の集電板１３１’は上述の実施形態と同じとし、第２の集電板１３２’を図１６（ｂ）のように幅方向両側縁部に一部直接導出しても良い。このような構成によると、上述の実施形態のように電気接続部の一部を保持板や絶縁板に貫通させる必要がないので、組み付けが容易になってコスト低減に貢献する。

１０ 燃料電池
１００ セル集合体ユニット
１００Ａ セル集合体ブロック
１００Ｆ フレーム
１１０ （燃料電池）セル
１１０Ａ セル集合体
１１０ａ インターコネクタ
１１１ ニッケルフォーム
１２０ 保持板
１２１，１２２ 長手側保持板（セル長手方向保持板）
１２１ａ 起立部
１２１ｆ，１２２ｆ 電気接続部貫通孔
１２１ｈ, １２２ｈ フレーム位置決め固定孔
１２１ｐ，１２２ｐ 第１テーパ面
１２１ｔ 切り起こし部
１２２ａ 細長領域
１２５ （セル）側方保持板
１２５ａ 端部折り曲げ部
１２５ｔ 切り起こし部
１３０ 集電部
１３１，１３１’ 第１の集電板
１３１ｈ フレーム固定孔
１３１ｐ 長孔
１３２，１３２’ 第２の集電板
１３２ｔ 切欠き
１３３ 第３の集電板
１３３ｆ 電気接続部貫通孔
１３３ｈ フレーム位置決め固定孔
１３４ 第４の集電板
１４１ 絶縁板
１４１ｆ 電気接続部貫通孔
１４１ｈ フレーム固定孔
１４２ 絶縁性無機繊維シート
１４２ｆ 電気接続部貫通孔
１４２ｈ ねじ挿通孔
１４５ 絶縁板
１５１ テーパ付固定用ワッシャ
１５１ｈ ねじ挿通孔
１５１ｐ 第２テーパ面
１５２ 円形絶縁性無機繊維シート
１５２ｈ ねじ挿通孔
１５３ 固定ネジ
１５５ 締付力
１５５ｘ Ｘ軸方向締付力
１５５ｙ Ｙ軸方向締付力
１５９ 固定ワッシャ
１６０ 電気接続部
１６０ａ 電気接続部陽極
１６０ｂ 電気接続部陰極
１６１ 接続板
１６２ 接続用折り曲げ部
１６３ セル側折り曲げ部
１９１，１９２・・・ ユニット接続板
２００ 燃料電池容器
２０１ リブ
２１０ セル集合体ユニット挿入側部分
２１１ セル集合体ユニット挿入口
２２１ 支持脚
２２２ 平面部
２２２ａ 燃料電池取付け孔
２５２，２６２ ロッド挿通部
２５５，２５６ 断熱材
２６１ ガス供給部
３１０ 陽極側電気取り出し部
３１３，３２３ 外部側取り出し部
３１５ 陽極側電気取り出し延在部
３１６，３２６ 接続部
３２０ 陰極側電気取り出し部
３２５ 陰極側電気取り出し延在部
ｆｃ 保持板接続部

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとで発電する燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルが複数電気的に接続される燃料電池セル集合体と、
   前記燃料電池セル集合体を囲み押圧する保持部材と、
   前記保持部材の外側に配置される前記燃料電池セル集合体からの電気を取り出す集電部とを備えるセル集合体ユニットであって、
   前記保持部材と前記集電部とを締結する締結部を備え、
   前記締結部は締結部本体と、前記締結部が嵌合されるワッシャ―部からなり、
   前記ワッシャ―部は前記保持部材を抑えつけるテーパ部を備える事を特徴とする燃料電池セル集合体ユニット。
2. 請求項１記載の燃料電池セル集合体ユニットを備えた燃料電池。

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