JP2015153671A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】熱応力の影響を緩和した燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタックは、第１貫通孔６１３を有し、可撓性を有する金属板からなる第１セパレータ６１２と、第１セパレータと接合され、第１貫通孔から一部が露出するインターコネクタ本体６１１と、第２貫通孔５８を有し、可撓性を有する金属板からなる第２セパレータ５３と、燃料極４４１と、空気極４４３と、固体電解質４４２と、を含み、第２セパレータに接合部７１を介し接合され、第２貫通孔５８から一部が露出する単セルと、を順に複数組積層した燃料電池スタックである。インターコネクタ本体の第１主面と単セルの空気極とを電気的に接続する第１接点部と、第１主面と反対側の第２主面と単セルの燃料極とを電気的に接続する第２接点部と、を具備し、インターコネクタ本体６１１の外周は、接合部７１の外周により囲まれた領域の内側に存在している。【選択図】図３
Description
本発明は，燃料電池スタックに関する。
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下，「ＳＯＦＣ」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある）が知られている。ＳＯＦＣは，例えば，板状の固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セル（単セル）を有する。正負の電極（燃料極および空気極）それぞれに，反応ガス（燃料ガス（例えば，水素）および酸化剤ガス（例えば，空気中の酸素））を供給し，固体電解質層を介して化学反応させることで，電力を発生させる。
単セルを複数個積層し、隣接する単セル間にインターコネクタを配置することで、固体酸化物形燃料電池スタック（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）が構成される（例えば、特許文献１、２参照）。
ここで、ＳＯＦＣ内部は、数百度の高温であり、また温度分布があるため、インターコネクタに熱応力が印加され易い。例えば、導電性セラミックを用いたインターコネクタの場合、熱応力によってインターコネクタが割れる畏れがある。金属を用いたインターコネクタの場合、クロム蒸気によって単セルを被毒しないよう導電性セラミックをコーティングしたものを通常用いるが、熱応力によってコーティングが破損し、クロム蒸気抑制効果が損失する畏れがある。また、ガス流路を遮断するための金属製のセパレータが単セルに接合されるが、このセパレータは熱変形を起こし、インターコネクタと接触して短絡（ショート）する畏れがある。
本発明は，熱応力の影響を緩和した燃料電池スタックを提供することを目的とする。
（１）本発明の一態様に係る燃料電池スタックは、
第１貫通孔を有し、可撓性を有する金属板からなる第１セパレータと、
前記第１セパレータと接合され、前記第１貫通孔から一部が露出するインターコネクタ本体と、
第２貫通孔を有し、可撓性を有する金属板からなる第２セパレータと、
燃料極と、空気極と、固体電解質と、を含み、前記第２セパレータに接合部を介し接合され、前記第２貫通孔から一部が露出する単セルと、
を順に複数組積層した燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタ本体の第１主面と前記単セルの空気極とを電気的に接続する第１接点部と、
前記第１主面と反対側の第２主面と前記単セルの燃料極とを電気的に接続する第２接点部と、を具備し、
前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記インターコネクタ本体の外周は、前記接合部の外周により囲まれた領域の内側に存在していることを特徴とする。
第１貫通孔を有し、可撓性を有する金属板からなる第１セパレータと、
前記第１セパレータと接合され、前記第１貫通孔から一部が露出するインターコネクタ本体と、
第２貫通孔を有し、可撓性を有する金属板からなる第２セパレータと、
燃料極と、空気極と、固体電解質と、を含み、前記第２セパレータに接合部を介し接合され、前記第２貫通孔から一部が露出する単セルと、
を順に複数組積層した燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタ本体の第１主面と前記単セルの空気極とを電気的に接続する第１接点部と、
前記第１主面と反対側の第２主面と前記単セルの燃料極とを電気的に接続する第２接点部と、を具備し、
前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記インターコネクタ本体の外周は、前記接合部の外周により囲まれた領域の内側に存在していることを特徴とする。
インターコネクタ本体と第１セパレータとを接合して、インターコネクタが構成される。第１セパレータが可撓性を有することで、インターコネクタ本体に印加される応力が緩和され、その割れや変形を防止できる。
また、前記燃料電池スタックの積層方向から見た場合に、インターコネクタ本体の外周は、単セルと第２セパレータの接合部の外周に囲まれた領域の内側に存在していることで、次に示すように、熱変形に起因する第１セパレータと第２セパレータとの間及びインターコネクタ本体と第２セパレータとの間の電気的接続（ショート）が防止される。
第１セパレータと第２セパレータとの間及びインターコネクタ本体と第２セパレータとの間を絶縁状態とするには、インターコネクタ本体と第２セパレータの接触を防止する必要がある。ここで、単セルと第２セパレータの接合部の外周に囲まれた領域の内側では、単セルと第２セパレータとを接合する接合部が存在することによって接合部の外周に囲まれた領域の内側では第２セパレータの変形が抑制される。即ち、燃料電池スタックの積層方向から見た場合に、インターコネクタ本体が、単セルと第２セパレータとの接合部の外周に囲まれた領域の内側に存在するように配置することで、熱応力によりインターコネクタ本体、第１セパレータ又は第２セパレータが変形した場合においても、インターコネクタ本体と第２セパレータが接触することを防止できる。
（２）前記第１セパレータは前記インターコネクタ本体と電気的に接続され、
前記第２セパレータは前記単セルの空気極又は燃料極の何れかの電極と電気的に接続されており、
前記第２セパレータと電気的に接続された側の前記単セルの電極と、第１接点部又は第２接点部の何れかの接点部を介して電気的に接続された前記インターコネクタ本体は、
前記第１セパレータが電気的に接続された側の第２セパレータと対向する面と反対側の面に接合されていることが好ましい。
前記第２セパレータは前記単セルの空気極又は燃料極の何れかの電極と電気的に接続されており、
前記第２セパレータと電気的に接続された側の前記単セルの電極と、第１接点部又は第２接点部の何れかの接点部を介して電気的に接続された前記インターコネクタ本体は、
前記第１セパレータが電気的に接続された側の第２セパレータと対向する面と反対側の面に接合されていることが好ましい。
燃料電池において、アノードとカソードの電位は異なっており、この異なる電位を有する電極同士が電気的に接続されると短絡してしまい発電が出来なくなってしまう。
単セルと接合部を介して接合されている第２セパレータは、カソード又はアノードの電位と同じ電位を有している。この第２セパレータと異なる電極と電気的に接続するインターコネクタ本体又は第１セパレータは、第２セパレータと絶縁されている。
単セルと接合部を介して接合されている第２セパレータは、カソード又はアノードの電位と同じ電位を有している。この第２セパレータと異なる電極と電気的に接続するインターコネクタ本体又は第１セパレータは、第２セパレータと絶縁されている。
インターコネクタ本体が、前記第１セパレータと電気的に接続された側の第２セパレータと対向する面と反対側の面に接合されていることで、インターコネクタ本体が、前記第１セパレータと電気的に接続された側の第２セパレータと対向する面に接合されている場合と比べて、第１セパレータと第２セパレータとの間の距離が確保される。このため、第１セパレータと第２セパレータ間の絶縁状態の確保が容易となる。
（３）前記第１セパレータは電気的に接続された側の前記第２セパレータ側に突出する第１屈曲部を有し、前記２セパレータは電気的に接続された側の前記第１セパレータ側に突出する第２屈曲部を有しても良い。
第１屈曲部と第２屈曲部が互いに電気的に接続されている方向に突出していることから、熱応力により第１セパレータ又は第２セパレータが変形した場合であっても、屈曲部が突出方向にセパレータの変形を促すので、第１セパレータと第２セパレータ間での接触が防止される。
第１屈曲部と第２屈曲部が互いに電気的に接続されている方向に突出していることから、熱応力により第１セパレータ又は第２セパレータが変形した場合であっても、屈曲部が突出方向にセパレータの変形を促すので、第１セパレータと第２セパレータ間での接触が防止される。
（４）前記第１セパレータは、前記インターコネクタ本体よりも薄く、且つ０．０５ｍｍ以上の厚さを有することが好ましい。
前記第１セパレータを前記インターコネクタ本体よりも薄くすることで、インターコネクタ本体に印加される応力を逃がし、緩和することができる。また、前記第１セパレータが、０．０５ｍｍ以上の厚さを有することで、その耐久性を確保できる。
前記第１セパレータを前記インターコネクタ本体よりも薄くすることで、インターコネクタ本体に印加される応力を逃がし、緩和することができる。また、前記第１セパレータが、０．０５ｍｍ以上の厚さを有することで、その耐久性を確保できる。
（５）前記第１セパレータが、１質量％以上１０質量％以下のアルミニウムを含むことが好ましい。
第１セパレータが、アルミニウムを含むことで、その表面に耐酸化性の高いアルミナの被膜を形成できる。アルミニウムの含有量が１質量％に満たないと、アルミナの被膜形成が不十分になるため、長期に渡って耐久性が得られない。また、アルミニウムの含有量が１０重量％を超えると、常温で第１セパレータが硬くなり過ぎ、応力緩和に支障を来す可能性がある。
第１セパレータが、アルミニウムを含むことで、その表面に耐酸化性の高いアルミナの被膜を形成できる。アルミニウムの含有量が１質量％に満たないと、アルミナの被膜形成が不十分になるため、長期に渡って耐久性が得られない。また、アルミニウムの含有量が１０重量％を超えると、常温で第１セパレータが硬くなり過ぎ、応力緩和に支障を来す可能性がある。
本発明によれば，熱応力の影響を緩和した燃料電池スタックを提供できる。
以下，本発明に係る固体酸化物形燃料電池について図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池スタック１０は，反応ガス（燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素）））の供給を受けて発電する。
図１は，本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック１０を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池スタック１０は，反応ガス（燃料ガス（例えば，水素）と酸化剤ガス（例えば，空気（詳しくは空気中の酸素）））の供給を受けて発電する。
固体酸化物形燃料電池スタック１０は，エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）が積層され，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）およびナット３５で固定される。
図２は，固体酸化物形燃料電池スタック１０の模式断面図である。
固体酸化物形燃料電池スタック１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
固体酸化物形燃料電池スタック１０は，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは，判り易さのために，４つの燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を積層しているが，一般には，２０〜６０個程度の燃料電池セル４０を積層することが多い。
エンドプレート１１，１２，燃料電池セル４０（１）〜４０（４）は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）を有する。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
エンドプレート１１，１２は，積層される燃料電池セル４０（１）〜４０（４）を押圧，保持する保持板であり，かつ燃料電池セル４０（１）〜４０（４）からの電流の出力端子でもある。
図３は，２枚分の燃料電池セル４０の分解断面図である。図４は，燃料電池セル４０の一部拡大断面図である。図５は，燃料電池セル４０の上面図である。
なお、図３において、図中Ｚ方向を上側とし、Ｚ方向に位置する面を上面とする。
なお、図３において、図中Ｚ方向を上側とし、Ｚ方向に位置する面を上面とする。
図３に示すように，燃料電池セル４０の一枚分（燃料電池セル４０（２））は，金属製セパレータ５３（本実施形態における「第２セパレータ」に対応する）と単セル４４を有し，インターコネクタ６１，６２，集電部４２（本実施形態における「第１接点部」に対応する），４９（本実施形態における「第２接点部」に対応する），枠部４３を備える。
単セル（狭義の燃料電池セル）４４は，固体電解質層４４２を空気極（カソード，空気極層ともいう）４４３，および，燃料極（アノード，燃料極層ともいう）４４１で挟んで構成される。固体電解質層４４２は，２つの主面を有する。これらの主面は，酸化剤ガス流路４７側，燃料ガス流路４８側それぞれに面し，空気極４４３，燃料極４４１が配置される。
空気極４４３としては，ペロブスカイト系酸化物（例えば，ＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物），ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物））等が使用できる。
固体電解質層４４２としては，ＹＳＺ(イットリア安定化ジルコニア)，ＳｃＳＺ(スカンジア安定化ジルコニア)，ＳＤＣ(サマリウムドープセリア)，ＧＤＣ(ガドリニウムドープセリア)，ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。
燃料極４４１としては，金属が好ましく，Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットやＮｉ基合金が使用できる。
インターコネクタ６１，６２は，複数の単セル４４間の導通を確保し，かつこれらの間での燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防止し得る，導電性を有する略板状の部材である。なお、この詳細は後述する。
単セル４４間には，１個のインターコネクタのみが配置される（直列に接続される二つの単セル４４の間に一つのインターコネクタを共有しているため）。また，最上層および最下層の単セル４４それぞれでは，インターコネクタ６１、６２，６３に替えて，導電性を有するエンドプレート１１，１２が配置される。
集電部４２は，酸化剤ガス流路４７の内部に配置され，単セル４４の空気極４４３とインターコネクタ６１との間の導通を確保するためのものであり，例えば，インターコネクタ６１に形成された凸部である。
集電部４９は，燃料ガス流路４８の内部に配置され，単セル４４の燃料極４４１とインターコネクタ６２（インターコネクタ本体６２１）との間の導通を確保するためのものであり，導電性部材４９１，スペーサ４９２を有する。
集電部４９は，燃料ガス流路４８の内部に配置され，単セル４４の燃料極４４１とインターコネクタ６２（インターコネクタ本体６２１）との間の導通を確保するためのものであり，導電性部材４９１，スペーサ４９２を有する。
導電性部材４９１は、Ｕ字形状をなし、インターコネクタ６２（インターコネクタ本体６２１）および単セル４４の燃料極４４１に当接する。
スペーサ４９２は,導電性部材４９１の間に配置される。スペーサ４９２の材料として,マイカ,アルミナ,バーミキュライト,カーボン繊維,炭化珪素繊維,シリカの何れか自体,或は少なくとも何れか１種を主成分とするものを利用できる。
なお，集電部４９は,導電性部材４９１，スペーサ４９２に替えて,例えばＮｉ製の多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成するようにしてもよい。また,集電部４９は,Ｎｉの他,Ｎｉ合金やステンレス鋼など酸化に強い金属で形成してもよい。
枠部４３は，酸化剤ガス，燃料ガスが流れる開口４６を有する。この開口４６は，気密に保持され，かつ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路４７，燃料ガスが流れる燃料ガス流路４８に区分される。また，本実施形態の枠部４３は，空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４で構成される。
空気極フレーム５１は，空気極４４３側に配置される金属製の枠体で，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７が区画される。
絶縁フレーム５２は，インターコネクタ６１，６２の間と、インターコネクタ６１と金属製セパレータ５３との間を電気的に絶縁する枠体で，例えば，Ａｌ２Ｏ３などのセラミックスやマイカ，バーミキュライトなどが使用でき，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，酸化剤ガス流路４７が区画される。具体的には，絶縁フレーム５２は，インターコネクタ６１，６２の間において，一方の面が空気極フレーム５１に，他方の面が金属製セパレータ５３に接触して配置されている。この結果，絶縁フレーム５２により，インターコネクタ６１，６２の間と、インターコネクタ６１と金属製セパレータ５３との間が電気的に絶縁されている。
金属製セパレータ５３は，開口部５８（本実施の形態における「第２貫通孔」に対応する）を有する枠状の金属製の薄板（例えば，厚さ：０．１ｍｍ）であり，単セル４４の固体電解質層４４２と接合部７１を介して接合され，かつ酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する金属製の枠体である。金属製セパレータ５３によって，枠部４３の開口４６内の空間が，酸化剤ガス流路４７と燃料ガス流路４８に区切られ，酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が防止される。
金属製セパレータ５３には，金属製セパレータ５３の上面と下面の間を貫通する貫通孔によって開口部５８が形成され，この開口部５８内に，単セル４４の空気極４４３が配置される。
燃料極フレーム５４は，燃料極４４１側に配置されるフレームであり，例えば，Ａｌ２Ｏ３などのセラミックスやマイカ，バーミキュライトなどの絶縁材料や金属板などが使用でき，中央部には開口４６を有する。該開口４６によって，燃料ガス流路４８を区画する。
空気極フレーム５１，絶縁フレーム５２，金属製セパレータ５３，燃料極フレーム５４は，ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）が挿入されるか，もしくは酸化剤ガスか燃料ガスが流通する貫通孔３１，３２（３２ａ，３２ｂ），３３（３３ａ，３３ｂ）をそれぞれの周辺部に有する。
単セル４４と金属製セパレータ５３の間に接合部７１が配置され，燃料電池セル４０を構成する。開口部５８に沿って，金属製セパレータ５３の下面と固体電解質層４４２の上面が接合部７１で接合される。
接合部７１は，Ａｇを含むロウ材から構成され，開口部５８に沿って，全周にわたって配置され，単セル４４と金属製セパレータ５３とを接合する。
本実施形態では，図３に示すように、インターコネクタは、インターコネクタ本体６１１、インターコネクタ用セパレータ６１２、接合部６１４を有する。
インターコネクタ本体６１１は、上面（本実施の形態における「第２主面」に対応する）、下面（本実施の形態における「第１主面」に対応する）を有する略板状の導電性部材である。インターコネクタ本体６１１は、インターコネクタ用セパレータ６１２の下面に接合され、インターコネクタ用セパレータ６１２（本実施の形態における「第１セパレータ」に対応する）の貫通孔６１３（本実施の形態における「第１貫通孔」に対応する）から上面の一部が露出する。
インターコネクタ本体６１１は、ＳＯＦＣ使用温度領域において高い導電性と酸化剤ガス雰囲気及び燃料ガス雰囲気において化学的安定性とを備えた材料であればよい。例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）系のセラミック材料を主成分とする材料や第１主面にＭｎＣｏスピネル酸化物のような導電性セラミックをコートしたフェライト系ステンレスの金属材料等を用いることができる。
ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）系のセラミック材料を主成分とする材料を用いる場合、特に高温の領域（例えば、７００〜１０００℃）で使用する場合に高い導電性を確保することができる。その結果、インターコネクタ本体６１１の電気抵抗による損失を低減し、燃料電池スタック１０の発電性能の向上に寄与する。
ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）系のセラミック材料を主成分とする材料を用いる場合、特に高温の領域（例えば、７００〜１０００℃）で使用する場合に高い導電性を確保することができる。その結果、インターコネクタ本体６１１の電気抵抗による損失を低減し、燃料電池スタック１０の発電性能の向上に寄与する。
インターコネクタ用セパレータ６１２は、上面、下面と、これらの間を貫通する貫通孔６１３（第１貫通孔）を有し、可撓性を有する金属板から構成される。貫通孔６１３は、インターコネクタ用セパレータ６１２の中央に配置される。
インターコネクタ用セパレータ６１２は、可撓性を有する金属製の薄板であるため、積層方向や面方向の応力を逃がす程度の厚さに形成する必要がある。具体的には、インターコネクタ用セパレータ６１２を０．０５ｍｍ以上でインターコネクト本体６１１よりも薄い範囲内の厚さ（例えば、０．１ｍｍの厚さ）に形成することが望ましい。インターコネクタ用セパレータ６１２の厚さがインターコネクト本体６１１の厚さを越えると、複数の単セル４４を積層した状態で各々のインターコネクタ本体６１１に印加される応力を逃がすことが困難になる結果、応力に起因する割れ等の不具合を招く恐れがある。インターコネクタ用セパレータ６１２の厚さが０．０５ｍｍに満たないと、耐酸化性や耐食性が劣化して十分な耐久性を確保できなくなる。
なお、図３に示すように、インターコネクタ用セパレータ６１２には、ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応して、貫通孔が形成されている。
なお、図３に示すように、インターコネクタ用セパレータ６１２には、ボルト２１，２２（２２ａ，２２ｂ），２３（２３ａ，２３ｂ）に対応して、貫通孔が形成されている。
インターコネクタ用セパレータ６１２は、例えば、主成分が鉄（Ｆｅ）であり、かつ１〜１０重量％程度のアルミニウムを含有する金属材料を用いて形成することが望ましい。すなわち、インターコネクタ用セパレータ６１２の表面にアルミナの被膜を形成することにより、耐酸化耐久性を向上させることができる。ただし、アルミニウムの含有量が１重量％に満たない程度の金属材料を用いる場合は、被膜形成が不十分となって上述の効果が弱くなる。一方、アルミニウムの含有量が１０重量％を超える程度の金属材料を用いる場合は、インターコネクタ用セパレータ６１２が常温で硬くなり過ぎ、応力の緩和が困難になる。
接合部６１４は、インターコネクタ本体６１１の上面とインターコネクタ用セパレータ６１２の下面を接合する。接合部６１４は、インターコネクタ用セパレータ６１２の貫通孔６１３を取り囲んで全周に配置されている。よって、接合部６１４によりインターコネクタ本体６１１とインターコネクタ用セパレータ６１２との間を気密に封止できる。
接合部６１４を形成する材料の例としては、ロウ材を採用することができる。具体的には、接合部６１４を形成するロウ材として、Ａｇと酸化物の混合体を用いることができる。Ａｇと混合される酸化物としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）、ＣｕＯ、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、ＳｉＯ２を挙げることができる。また，接合部６１４を形成するロウ材として、Ａｇと他の金属との合金（例えば、Ａｇ−Ｇｅ−Ｃｒ、Ａｇ−Ｔｉ、Ａｇ−Ａｌ）を用いてもよい。
また、接合部６１４を形成する材料の他の例としては、ガラスを採用することができる。ガラスを用いて接合部６１４を形成する場合は、熱膨張率の差による応力印加時の割れを防止するため、インターコネクタ本体６１１及びインターコネクタ用セパレータ６１２と比較的近い熱膨張率を有するガラスを採用することが望ましい。
接合部６１４は、材料の選択によっても異なるが、例えば、２０〜１００μｍ程度の厚さと、２〜６ｍｍ程度の横幅で形成される。
このように、インターコネクタ本体６１１と、可撓性を有する金属板からなるインターコネクタ用セパレータ６１２を接合して、インターコネクタ６１が構成される。インターコネクタ用セパレータ６１２が可撓性を有することで、インターコネクタ本体６１１に印加される応力が緩和され、その割れや変形を防止できる。
インターコネクタ６２，６３は、インターコネクタ本体６２１，６３１、インターコネクタ用セパレータ６２２，６３２、接合部６２４，６３４を有する。これらはそれぞれ、インターコネクタ本体６１１、インターコネクタ用セパレータ６１２、接合部６１４と対応する形状、材質であるので、詳細な説明を省略する。
本実施形態において、金属製セパレータ５３と、この金属製セパレータ５３が接合部７１を介して接合している単セル４４の燃料極４４１と電気的に接続しているインターコネクタ用セパレータ６２２の間は、電気的に接続されている（つまりはセパレータ同士が接触してもショートしない）。
上述した様に、金属製セパレータ５３と単セル４４とをＡｇを含むロウ材からなる接合部７１により接合している。本実施形態では、単セル４４は燃料極支持形の単セル４４であり、固体電解質層４４２は厚みが薄い。この場合、接合部７１により、金属セパレータ５３と燃料極４４１が電気的に接続しやすく、金属製セパレータ５３と燃料極４４１とが同じ電位を有することとなる。即ち、インターコネクタ用セパレータ６２２は集電部４９を介して燃料極４４１と電気的に接続しているため、金属製セパレータ５３とインターコネクタ用セパレータ６２２とは燃料極４４１と同じ電位を有することとなる。
なお、接合部７１による電気的接続を上述したが、この他にも、金属製セパレータ５３とインターコネクタ用セパレータ６２２が電気的に接続し、同じ電位を持つ場合としては、燃料極フレーム５４が金属等の導電性材料である等が考えられる。
このため、本実施形態では金属製セパレータ５３と、この金属製セパレータ５３が接合部７１を介して接合している単セル４４の燃料極４４１と電気的に接続しているインターコネクタ用セパレータ６２２の間の電気的接続は問題とはならない。
このため、本実施形態では金属製セパレータ５３と、この金属製セパレータ５３が接合部７１を介して接合している単セル４４の燃料極４４１と電気的に接続しているインターコネクタ用セパレータ６２２の間の電気的接続は問題とはならない。
ここで、燃料電池スタックの積層方向から見た場合において、インターコネクタ本体６１１の外周は、単セル４４と金属製セパレータ５３との接合部７１の外周により囲まれた領域の内側に配置されていることで、次に示すように、熱変形に起因するインターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３との間又は金属製セパレータ５３とインターコネクタ本体６１１との間の電気的接続（ショート）が防止される。図４、図５を用いて、これを説明する。
図４に示すように、インターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３との間にインターコネクタ本体６１１が配置される。このため、インターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３間を絶縁状態とするには、インターコネクタ本体６１１と金属製セパレータ５３の接触を防止する必要がある。ここで、単セル４４と金属製セパレータ５３の接合部７１の外周に囲まれる領域の内側では、単セル４４と金属製セパレータとの接合部７１によって金属製セパレータ５３の変形が抑制される。即ち、金属製セパレータ５３で変形し易い箇所は、単セル４４と金属製セパレータ５３の接合部７１の外周により囲まれる領域の外側である。このため、接合部７１の外周に囲まれる領域の内側にインターコネクタ本体６１１を配置することで、インターコネクタ本体６１１と金属製セパレータ５３が接触することを防止できる。
インターコネクタ本体６１１の外周が、単セル４４と金属製セパレータ５３との接合部７１の外周に囲まれた領域の外側に存在していると、インターコネクタ本体６１１単セル４４と金属製セパレータ５３の間隔ｔ２（例えば、０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下）がインターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３の間隔ｔ０（例えば、０．６ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下）より小さいことから、インターコネクタ本体６１１と金属製セパレータ５３が接触する可能性が大きくなる。インターコネクタ本体６１１の厚さ（０．４ｍｍ以上１．０ｍｍ以下（例えば、０．８ｍｍ））の分、間隔ｔ２と間隔ｔ０は異なる。
このため、図４，図５に示すように、燃料電池スタックの積層方向から見た場合において、単セル４４と金属製セパレータ５３の接合部７１の外周と、インターコネクタ本体６１１の外周との間に間隔Ｄがおかれている。この間隔Ｄは、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。この間隔Ｄは、より好ましくは、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。この間隔Ｄは，発電面積（つまり集電部４２，４９）を広くするためになるべく狭いほうが好ましい。
本実施形態では、単セル４４が、金属製セパレータ５３の下面に接合されている。また、インターコネクタ本体６１１がインターコネクタ用セパレータ６１２の下面に接合されている。この結果、インターコネクタ本体６１１がインターコネクタ用セパレータ６１２の上面に接合されている場合と比べて、インターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３との間の距離が確保される。このため、インターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３との間の絶縁状態の確保が容易である。
（変形例１）
図６は、変形例１に係る燃料電池セル４０ａの一部拡大断面図である。
図６に示したように、変形例１では、インターコネクタ本体６１１をインターコネクタ用セパレータ６１２の上面に接合している。この場合でも、燃料電池スタックの積層方向から見た場合に、インターコネクタ本体６１１の外周が、単セル４４と金属製セパレータ５３との接合部７１の外周により囲まれる領域の内側に存在するように配置されることで、インターコネクタ用セパレータ６１２を変形させてインターコネクタ本体６１１と接合することが可能となる。
したがって、接合部７１の外周より外側の金属製セパレータ５３と、インターコネクタ用セパレータ６１２との間の距離が十分に確保できる。
図６は、変形例１に係る燃料電池セル４０ａの一部拡大断面図である。
図６に示したように、変形例１では、インターコネクタ本体６１１をインターコネクタ用セパレータ６１２の上面に接合している。この場合でも、燃料電池スタックの積層方向から見た場合に、インターコネクタ本体６１１の外周が、単セル４４と金属製セパレータ５３との接合部７１の外周により囲まれる領域の内側に存在するように配置されることで、インターコネクタ用セパレータ６１２を変形させてインターコネクタ本体６１１と接合することが可能となる。
したがって、接合部７１の外周より外側の金属製セパレータ５３と、インターコネクタ用セパレータ６１２との間の距離が十分に確保できる。
（変形例２）
図７、図８はそれぞれ、変形例２に係る燃料電池セル４０ｂ（２）の一部拡大断面図および上面図である。
図７、図８はそれぞれ、変形例２に係る燃料電池セル４０ｂ（２）の一部拡大断面図および上面図である。
ここで、燃料電池セル４０ｂ（２）は、インターコネクタ用セパレータ６１２、金属製セパレータ５３、インターコネクタ用セパレータ６２２がそれぞれ、屈曲部４１５，５３１，４５５を有する。
屈曲部４１５，５３１，４５５はそれぞれ、板状のインターコネクタ用セパレータ６１２、金属製セパレータ５３、インターコネクタ用セパレータ６２２の一部を屈曲させた部位である。インターコネクタ本体６１１又は単セル４４に応力が印加された場合に、屈曲部４１５，５３１，４５５のそれぞれが突出方向に、インターコネクタ用セパレータ６１２又は金属性セパレータ５３、若しくはその両方の変形を促す。
屈曲部４１５，５３１，４５５はそれぞれ、板状のインターコネクタ用セパレータ６１２、金属製セパレータ５３、インターコネクタ用セパレータ６２２の一部を屈曲させた部位である。インターコネクタ本体６１１又は単セル４４に応力が印加された場合に、屈曲部４１５，５３１，４５５のそれぞれが突出方向に、インターコネクタ用セパレータ６１２又は金属性セパレータ５３、若しくはその両方の変形を促す。
屈曲部４１５，５３１，４５５はいずれも、燃料ガス流路４８側に突出し、酸化剤ガス流路４７側では引っ込んでいる（凹んでいる）。インターコネクタ用セパレータ６１２と金属製セパレータ５３が互いに逆方向に突出していることから、これら間（酸化剤ガス流路４７内）での接触が防止される。
本実施形態において、これら屈曲部４１５，５３１，４５５は、単セル４４の外周を囲むように周回している。但し、屈曲部４１５，５３１，４５５が不連続、例えば、ドット状でも良く、単セル４４の外周を一周しなくとも良い。例えば、単セル４４の対向する２辺に沿って、屈曲部４１５，５３１，４５５が配置されても良い。
なお、前述のように、金属製セパレータ５３とインターコネクタ用セパレータ６２２間は、元来、電気的に接続されているので、屈曲部４１５，５３１，４５５が、燃料ガス流路４８側に突出し、場合により接触したとしても問題とはならない。
（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
１０ 固体酸化物形燃料電池スタック
１１，１２ エンドプレート
２１，２２ ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４２，４２２，４２３ 集電部（第１接点部）
４９，４９２ 集電部（第２接点部）
４３ 枠部
４４，４５ 単セル
４６，４６２ 開口
４７，４７２ 酸化剤ガス流路
４８，４８２ 燃料ガス流路
５１，５１２ 空気極フレーム
５２，５２２ 絶縁フレーム
５３，５３２ 金属製セパレータ
５４，５４２ 燃料極フレーム
４４３，４５３ 空気極
４４２，４５２ 固体電解質層
４４１，４５１ 燃料極
５８，５８２ 開口部（第２貫通部）
６１，６２，６３ インターコネクタ
７１，７１２ 接合部
４１５，５３１，４５５ 屈曲部
４９１ 導電性部材
４９２ スペーサ
６１１，６２１，６３１ インターコネクタ本体
６１２，６２２，６３２ インターコネクタ用セパレータ
６１３，６２３，６３３ 貫通孔（第１貫通孔）
６１４，６２４，６３４ 接合部
１１，１２ エンドプレート
２１，２２ ボルト
３１，３２ 貫通孔
３５ ナット
４０ 燃料電池セル
４２，４２２，４２３ 集電部（第１接点部）
４９，４９２ 集電部（第２接点部）
４３ 枠部
４４，４５ 単セル
４６，４６２ 開口
４７，４７２ 酸化剤ガス流路
４８，４８２ 燃料ガス流路
５１，５１２ 空気極フレーム
５２，５２２ 絶縁フレーム
５３，５３２ 金属製セパレータ
５４，５４２ 燃料極フレーム
４４３，４５３ 空気極
４４２，４５２ 固体電解質層
４４１，４５１ 燃料極
５８，５８２ 開口部（第２貫通部）
６１，６２，６３ インターコネクタ
７１，７１２ 接合部
４１５，５３１，４５５ 屈曲部
４９１ 導電性部材
４９２ スペーサ
６１１，６２１，６３１ インターコネクタ本体
６１２，６２２，６３２ インターコネクタ用セパレータ
６１３，６２３，６３３ 貫通孔（第１貫通孔）
６１４，６２４，６３４ 接合部
Claims (5)
- 第１貫通孔を有し、可撓性を有する金属板からなる第１セパレータと、
前記第１セパレータと接合され、前記第１貫通孔から一部が露出するインターコネクタ本体と、
第２貫通孔を有し、可撓性を有する金属板からなる第２セパレータと、
燃料極と、空気極と、固体電解質と、を含み、前記第２セパレータに接合部を介し接合され、前記第２貫通孔から一部が露出する単セルと、
を順に複数組積層した燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタ本体の第１主面と前記単セルの空気極とを電気的に接続する第１接点部と、
前記第１主面と反対側の第２主面と前記単セルの燃料極とを電気的に接続する第２接点部と、を具備し、
前記燃料電池スタックを積層方向から見た場合に、前記インターコネクタ本体の外周は、前記接合部の外周により囲まれた領域の内側に存在している
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 前記第１セパレータは前記インターコネクタ本体と電気的に接続され、
前記第２セパレータは前記単セルの空気極又は燃料極の何れかの電極と電気的に接続されており、
前記第２セパレータと電気的に接続された側の前記単セルの電極と、第１接点部又は第２接点部の何れかの接点部を介して電気的に接続された前記インターコネクタ本体は、
前記第１セパレータが電気的に接続された側の第２セパレータと対向する面と反対側の面に接合されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。 - 前記第１セパレータは電気的に接続された側の前記第２セパレータ側に突出する第１屈曲部を有し、前記２セパレータは電気的に接続された側の前記第１セパレータ側に突出する第２屈曲部を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
- 前記第１セパレータは、前記インターコネクタ本体よりも薄く、且つ０．０５ｍｍ以上の厚さを有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。 - 前記第１セパレータが、１質量％以上１０質量％以下のアルミニウムを含む
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
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