JP2015185466A

JP2015185466A - 燃料電池

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Publication number: JP2015185466A
Application number: JP2014062588A
Authority: JP
Inventors: 拓人櫛; Takuto Kushi; 徹波多江; Toru Hatae; 陽介朝重; Yosuke Asashige; 直哉森; Naoya Mori
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-25
Also published as: JP6290676B2

Abstract

【課題】コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１０は、積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セル２４を有する燃料電池スタック１２と、複数の燃料電池セル２４における積層方向の端部に設けられた燃料極２８に対して上記積層方向の延長方向に離間して設けられたベース部４２と、ベース部４２から燃料電池スタック１２側に延出され、先端部４４Ａが燃料電池スタック１２において燃料極２８を保持するセパレータ３２に固定された延出部４４と、燃料極２８に重ね合わされた金属製の第一集電板１６を少なくとも含み、燃料極２８とベース部４２との間に介在された介在部６０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池に関する。

固体酸化物形の燃料電池としては、積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極に重ね合わされた集電板とを有するものがある（例えば、特許文献１参照）。このような燃料電池において出力電圧を高めるためには、上記電極と集電板との密着度を高め、この電極と集電板との間での電力伝達損失を低減することが求められる。

また、このような燃料電池における部材間の密着度を高める技術としては、例えば、特許文献２に記載されている加圧機構がある。この加圧機構は、燃料電池スタック上に押え板を介して設けられた圧縮バネと、圧縮バネ上に設けられたプレートと、燃料電池スタックの下方に設けられた断熱プレート及び押え板と、上側のプレートと下側の断熱プレート及び押え板とを連結する連結ロッドとを有している。

特開２００７−２５０２８１号公報特開２００６−３３９０３５号公報

しかしながら、特許文献２に記載の加圧機構では、圧縮バネが用いられている。しかも、圧縮バネの耐熱及び耐食性を確保するために、この圧縮バネには、一般に高価とされる窒化ケイ素を主成分とするセラミックス製のものが用いられている。このため、圧縮バネを用いた分、コストアップになると共に、大型化する。

そこで、本発明は、コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池は、積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極に対して前記積層方向の延長方向に離間して設けられたベース部と、前記ベース部から前記燃料電池スタック側に延出され、先端部が前記燃料電池スタックにおいて前記電極を保持する電極保持部に固定された延出部と、前記電極に重ね合わされた金属製の集電板を少なくとも含み、前記電極と前記ベース部との間に介在された介在部とを備える。

この燃料電池によれば、ベース部から燃料電池スタック側に延出された延出部の先端部は、複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極を保持する電極保持部に固定されており、この延出部により、電極保持部がベース部に対して拘束される。また、この電極とベース部との間には、介在部が介在されており、この介在部には、金属製の集電板が少なくとも含まれている。

従って、燃料電池スタックの発電発熱時に集電板が加熱された場合には、電極保持部がベース部に対して拘束された状態で、介在部に含まれる集電板が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って集電板が電極に押し付けられる。これにより、電極と集電板との密着度を高めることができるので、電極と集電板との間での電力伝達損失を低減することができる。

また、上述のように、圧縮バネを用いずに集電板を電極に密着させることができるので、圧縮バネを不要とする分、コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる。

請求項２に記載の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、前記複数の燃料電池セルに燃料ガス及び空気ガスを供給するマニホールドをさらに備え、前記マニホールドが前記ベース部及び前記延出部を有する構成とされている。

この燃料電池によれば、ベース部及び延出部は、マニホールドに設けられているので、マニホールドとは別にベース部及び延出部が設けられる場合に比して、構造を簡素化することができる。

請求項３に記載の燃料電池は、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、前記介在部が前記集電板に前記ベース部側から絶縁材を介して重ね合わされた金属板を含む構成とされている。

この燃料電池によれば、介在部は、集電板に加えて金属板を有している。従って、燃料電池スタックの発電発熱時には、集電板に加えて金属板が加熱されて熱膨張することにより、集電板を電極に押し付けることができる。従って、金属板を有する分、一般にメッキ処理されるなど高価とされる集電板を薄型化することができるので、コストダウンすることができる。

請求項４に記載の燃料電池は、請求項３に記載の燃料電池において、前記集電板及び前記金属板の少なくとも一方が前記延出部よりも熱膨張率の高い材料で形成された構成とされている。

この燃料電池によれば、集電板及び金属板の少なくとも一方は、延出部よりも熱膨張率の高い材料で形成されている。従って、燃料電池スタックの発電発熱時には、集電板及び金属板の熱膨張量が延出部の熱膨張量よりも大きくなるので、集電板をより確実に電極に押し付けることができる。

請求項５に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記延出部が前記集電板の側方に設けられた構成とされている。

この燃料電池によれば、延出部は、集電板の側方に設けられているので、集電板に延出部を避けるための切欠きや穴などを設ける必要性を無くすことができる。これにより、集電板の大きさを確保することができるので、電極と集電板との接続面積を確保することができる。

請求項６に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記延出部が前記集電板の両側の側方に設けられた構成とされている。

この燃料電池によれば、延出部は、集電板の両側の側方に設けられているので、この一対の延出部により、集電板に対する両側の側方において電極保持部をベース部に対して拘束することができる。従って、燃料電池スタックの発電発熱時には、この延出部により、集電板に対する両側の側方において電極保持部をベース部に対して拘束した状態で、この延出部の間に位置する集電板を電極に押し付けることができる。これにより、例えば、片側の延出部のみで電極保持部を拘束する場合に比して、電極と集電板との密着度をより一層高めることができる。

請求項７に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記延出部が前記集電板の周縁に沿って形成された構成とされている。

この燃料電池によれば、延出部は、集電板の周縁に沿って形成されているので、この延出部により、集電板の周縁に沿った電極保持部の拘束長さを長く確保することができる。これにより、集電板の周方向に亘って集電板を電極に押し付けることができるので、電極と集電板との密着度をより一層高めることができる。

請求項８に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記電極と前記集電板との接続面積が前記延出部と前記電極保持部との接続面積よりも大きい構成とされている。

この燃料電池によれば、電極と集電板との接続面積は、延出部と電極保持部との接続面積よりも大きいので、燃料電池スタックの発電発熱時には、燃料電池スタックから延出部に伝達される熱よりも多くの熱を電極から集電板に伝達することができる。これにより、集電板をより効率的に熱膨張させることができるので、集電板を電極により一層高い荷重で押し付けることができる。

請求項９に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ベース部、前記延出部、及び、前記介在部が前記燃料電池スタックの片側にのみ設けられた構成とされている。

この燃料電池によれば、ベース部、延出部、及び、介在部は、燃料電池スタックの片側にのみ設けられているので、燃料電池スタックにおける片側の電極と集電板との密着度を高めつつ、構造を簡素化することができる。

請求項１０に記載の燃料電池は、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ベース部、前記延出部、及び、前記介在部が前記燃料電池スタックの両側にそれぞれ設けられた構成とされている。

この燃料電池によれば、ベース部、延出部、及び、介在部は、燃料電池スタックの両側にそれぞれ設けられているので、燃料電池スタックにおける両側の電極と集電板との密着度をそれぞれ高めることができる。

また、上記目的を達成するために、請求項１１に記載の燃料電池は、積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池セルにおける積層方向一方側の端部に設けられた第一電極に対して前記積層方向の延長方向に離間して設けられた第一ベース部と、前記複数の燃料電池セルにおける積層方向他方側の端部に設けられた第二電極に対して前記積層方向の延長方向に離間して設けられた第二ベース部と、前記第一ベース部から前記燃料電池スタック側に延出され、先端部が前記燃料電池スタックにおいて前記第一電極を保持する電極保持部に固定された第一延出部と、前記第二ベース部から前記燃料電池スタック側に延出され、先端部が前記第一ベース部及び前記第一延出部の少なくとも一方に固定された第二延出部と、前記第一電極に重ね合わされた金属製の第一集電板を少なくとも含み、前記第一電極と前記第一ベース部との間に介在された第一介在部と、前記第二電極に重ね合わされた金属製の第二集電板を少なくとも含み、前記第二電極と前記第二ベース部との間に介在された第二介在部とを備える。

この燃料電池によれば、第一ベース部から燃料電池スタック側に延出された第一延出部の先端部は、複数の燃料電池セルにおける積層方向一方側の端部に設けられた第一電極を保持する電極保持部に固定されており、この第一延出部により、電極保持部が第一ベース部に対して拘束される。また、第一電極と第一ベース部との間には、第一介在部が介在されており、この第一介在部には、金属製の第一集電板が少なくとも含まれている。

従って、燃料電池スタックの発電発熱時に第一集電板が加熱された場合には、電極保持部が第一ベース部に対して拘束された状態で、第一介在部に含まれる第一集電板が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って第一集電板が第一電極に押し付けられる。これにより、第一電極と第一集電板との密着度を高めることができるので、第一電極と第一集電板との間での電力伝達損失を低減することができる。

さらに、第二ベース部から燃料電池スタック側に延出された第二延出部の先端部は、第一ベース部及び第一延出部の少なくとも一方に固定されており、この第二延出部により、第二ベース部が第一ベース部及び第一延出部の少なくとも一方に対して拘束される。また、第二電極と第二ベース部との間には、第二介在部が介在されており、この第二介在部には、金属製の第二集電板が少なくとも含まれている。

従って、燃料電池スタックの発電発熱時に第二集電板が加熱された場合には、第二ベース部が第一ベース部及び第一延出部の少なくとも一方に対して拘束された状態で、第二介在部に含まれる第二集電板が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って複数の燃料電池セルにおける電極同士が押し付けられると共に、第二集電板が第二電極に押し付けられる。これにより、複数の燃料電池セルにおける電極同士の密着度を高めることができると共に、第二電極と第二集電板との密着度を高めることができる。この結果、複数の燃料電池セルにおける電極間の電力伝達損失、及び、第一電極と第一集電板との間での電力伝達損失をそれぞれ低減することができる。

また、上述のように、圧縮バネを用いずに各部材を密着させることができるので、圧縮バネを不要とする分、コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる。

以上詳述したように、本発明の燃料電池によれば、コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる。

本発明の第一実施形態に係る燃料電池の縦断面図である。図１に示される第一集電板及びマニホールドの平面図である。本発明の第二実施形態に係る燃料電池の縦断面図である。本発明の第三実施形態に係る燃料電池の縦断面図である。比較例に係る燃料電池の縦断面図である。本発明の第一実施形態について行った検証実験の結果を示す図である。

［第一実施形態］
はじめに、本発明の第一実施形態について説明する。

図１に示されるように、本発明の第一実施形態に係る燃料電池１０は、燃料電池スタック１２と、マニホールド１４と、第一集電板１６と、第二集電板１８と、絶縁材２０と、金属板２２とを備えている。

燃料電池スタック１２は、積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セル２４を有している。本実施形態では、一例として、燃料電池スタック１２が三層の燃料電池セル２４を有しているが、燃料電池セル２４の層数は任意に選択可能である。

各燃料電池セル２４は、平板形固体酸化物により形成された電解質層２６と、この電解質層２６の表裏面にそれぞれ積層された燃料極２８及び空気極３０と、これら電解質層２６、燃料極２８、及び、空気極３０を保持する平板形のセパレータ３２とを有している。互いに重ね合わされた一方の燃料電池セル２４の燃料極２８と他方の燃料電池セル２４の空気極３０とは、図示しない伝導材を介して接続されている。

セパレータ３２には、燃料極２８及び空気極３０の側方においてセパレータ３２の厚み方向に延びる燃料搬送路３４及び空気搬送路３６と、燃料搬送路３４から燃料極２８に沿って延びる燃料搬送溝３８と、空気搬送路３６から空気極３０に沿って延びる空気搬送溝４０とが形成されている。

マニホールド１４は、燃料電池スタック１２の片側（一例として、燃料極２８側）にのみ設けられている。このマニホールド１４は、平板形のベース部４２と、壁状の延出部４４とを有している。複数の燃料電池セル２４の積層方向Ｈにおける一方側の端部に設けられた燃料極２８は、本発明における「複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極」の一例であり、ベース部４２は、この燃料極２８に対して積層方向Ｈの延長方向に離間して設けられている。

延出部４４は、ベース部４２から燃料電池スタック１２側に延出されている。この延出部４４の先端部４４Ａは、例えばセラミックガラス等の接続部材４６を介して、上述の積層方向Ｈにおける一方側に設けられたセパレータ３２に固定されている。このセパレータ３２は、本発明における「電極保持部」の一例である。

図２に示されるように、延出部４４は、より具体的には、第一集電板１６の両側の側方にそれぞれ設けられた一対の第一壁部４８と、第一集電板１６の側方に設けられて一対の第一壁部４８を繋ぐ第二壁部５０とを有している。この一対の第一壁部４８及び第二壁部５０は、矩形平板状に形成された第一集電板１６の周縁１６Ａに沿って延びており、この第一集電板１６を囲うコ字状を成している。

図１に示されるように、マニホールド１４には、燃料供給路５４及び空気供給路５６が形成されている。燃料供給路５４は、上述の燃料搬送路３４と連通し、空気供給路５６は、上述の空気搬送路３６と連通している。

燃料供給路５４には、水素及び一酸化炭素を含む燃料ガスが外部から供給され、燃料供給路５４に供給された燃料ガスは、燃料搬送路３４及び燃料搬送溝３８を通じて燃料極２８に供給される。一方、空気供給路５６には、酸素を含む空気ガスが外部から供給され、空気供給路５６に供給された空気ガスは、空気搬送路３６及び空気搬送溝４０を通じて空気極３０に供給される。

空気極３０では、下記式（１）で示されるように、空気ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層２６を通って燃料極２８に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（１）

一方、燃料極２８では、下記式（２）及び式（３）で示されるように、電解質を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水（水蒸気）及び二酸化炭素と、電子が生成される。燃料極２８で生成された電子は、外部回路を通って空気極３０に到達する。そして、このようにして電子が燃料極２８から空気極３０に移動することにより、各燃料電池セル２４において発電される。また、各燃料電池セル２４は、発電時に上記反応に伴って発熱する。

（燃料極反応）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^２− →ＣＯ_２＋２ｅ⁻ ・・・（３）

第一集電板１６及び第二集電板１８は、金属製とされている。第一集電板１６は、本発明における「集電板」の一例であり、積層方向Ｈにおける一方側に設けられた燃料極２８に重ね合わされている。一方、第二集電板１８は、積層方向Ｈにおける他方側（第一集電板１６側と反対側）に設けられた空気極３０に重ね合わされている。

なお、本実施形態における以降の説明において、単に燃料極２８及びセパレータ３２と記載する場合、この燃料極２８及びセパレータ３２は、積層方向Ｈにおける一方側（第一集電板１６側）に設けられた燃料極２８及びセパレータ３２を指し示す。同様に、単に空気極３０と記載する場合、この空気極３０は、積層方向Ｈにおける他方側（第一集電板１６側と反対側）に設けられた空気極３０を指し示す。

この燃料極２８及び第一集電板１６との間、及び、空気極３０と第二集電板１８との間には、それぞれ図示しない伝導板が設けられても良い。この第一集電板１６及び第二集電板１８には、図２に示されるように、コ字状に形成された延出部４４の開口から突出する電気取出部５８がそれぞれ設けられている。

また、本実施形態では、図１に示される燃料極２８と第一集電板１６との接続面積が、延出部４４とセパレータ３２との接続面積よりも大きくなるように各部が構成されている。

燃料極２８及び第一集電板１６が伝導板を介して重ね合わされる場合、燃料極２８と第一集電板１６との接続面積とは、燃料極２８と第一集電板１６との間に配置された伝導板の平面積に相当する。一方、燃料極２８及び第一集電板１６が直接重ね合わされる場合、燃料極２８と第一集電板１６との接続面積とは、燃料極２８と第一集電板１６との接触面積に相当する。また、延出部４４とセパレータ３２とが接続部材４６を介して接続される場合、延出部４４とセパレータ３２との接続面積とは、この接続部材４６の平面積に相当する。

マニホールド１４に設けられたベース部４２と燃料極２８との間には、上述の第一集電板１６の他に、絶縁材２０及び金属板２２が設けられている。金属板２２は、第一集電板１６にベース部４２側から絶縁材２０を介して重ね合わされている。この第一集電板１６及び金属板２２は、延出部４４を含むマニホールド１４の全体よりも熱膨張率の高い材料で形成されている。この第一集電板１６、絶縁材２０、及び、金属板２２は、上述の燃料極２８とベース部４２との間に介在された介在部６０を構成している。

そして、この第一実施形態に係る燃料電池１０では、燃料電池スタック１２の発電発熱時に、第一集電板１６及び金属板２２が加熱される。このとき、延出部４４によってセパレータ３２がベース部４２に対して拘束された状態で、第一集電板１６及び金属板２２が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って第一集電板１６が燃料極２８に押し付けられ、燃料極２８と第一集電板１６との密着度が高まる。

なお、上述の第一集電板１６及び金属板２２の少なくとも一方は、燃料電池スタック１２の発電発熱時に延出部４４よりも積層方向Ｈへの熱膨張量が多くなるように、その材料及び体積の少なくとも一方が設定されている。この材料の一例として、第一集電板１６は、例えば、SUS310で形成され、金属板２２は、例えば、SUS316で形成され、延出部４４を含むマニホールド１４は、例えば、ZMG232L（日立金属製：Fe-22Cr合金にZr,La添加）で形成される。

次に、本発明の第一実施形態の作用及び効果について説明する。

以上詳述したように、第一実施形態に係る燃料電池１０によれば、ベース部４２から燃料電池スタック１２側に延出された延出部４４の先端部４４Ａは、セパレータ３２に固定されており、この延出部４４より、セパレータ３２がベース部４２に対して拘束される。また、燃料極２８とベース部４２との間には、介在部６０が介在されており、この介在部６０には、金属製の第一集電板１６及び金属板２２が含まれている。

従って、燃料電池スタック１２の発電発熱時に第一集電板１６及び金属板２２が加熱された場合には、セパレータ３２がベース部４２に対して拘束された状態で、第一集電板１６及び金属板２２が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って第一集電板１６が燃料極２８に押し付けられる。これにより、燃料極２８と第一集電板１６との密着度を高めることができるので、燃料極２８と第一集電板１６との間での電力伝達損失を低減することができる。

また、上述のように、圧縮バネを用いずに第一集電板１６を燃料極２８に密着させることができるので、圧縮バネを不要とする分、コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる。

しかも、この燃料電池１０によれば、ベース部４２及び延出部４４は、マニホールド１４に設けられているので、マニホールド１４とは別にベース部４２及び延出部４４が設けられる場合に比して、構造を簡素化することができる。

また、介在部６０は、第一集電板１６に加えて金属板２２を有している。従って、燃料電池スタック１２の発電発熱時には、第一集電板１６に加えて金属板２２が加熱されて熱膨張することにより、第一集電板１６を燃料極２８に押し付けることができる。従って、金属板２２を有する分、一般にメッキ処理されるなど高価とされる第一集電板１６を薄型化することができるので、コストダウンすることができる。

また、第一集電板１６及び金属板２２は、いずれも延出部４４を有するマニホールド１４の全体よりも熱膨張率の高い材料で形成されている。従って、燃料電池スタック１２の発電発熱時には、第一集電板１６及び金属板２２の熱膨張量が延出部４４の熱膨張量よりも大きくなるので、第一集電板１６をより確実に燃料極２８に押し付けることができる。

また、延出部４４を構成する一対の第一壁部４８及び第二壁部５０は、いずれも第一集電板１６の側方に設けられているので、第一集電板１６に延出部４４を避けるための切欠きや穴などを設ける必要性を無くすことができる。これにより、第一集電板１６の大きさを確保することができるので、燃料極２８と第一集電板１６との接続面積を確保することができる。

また、延出部４４のうち一対の第一壁部４８は、第一集電板１６の両側の側方にそれぞれ設けられているので、この一対の第一壁部４８により、第一集電板１６に対する両側の側方においてセパレータ３２をベース部４２に対して拘束することができる。従って、燃料電池スタック１２の発電発熱時には、この一対の第一壁部４８により、第一集電板１６に対する両側の側方においてセパレータ３２をベース部４２に対して拘束した状態で、この一対の第一壁部４８の間に位置する第一集電板１６を燃料極２８に押し付けることができる。これにより、例えば、片側の第一壁部４８のみでセパレータ３２を拘束する場合に比して、燃料極２８と第一集電板１６との密着度をより一層高めることができる。

また、一対の第一壁部４８及び第二壁部５０を有する延出部４４の全体は、第一集電板１６の周縁１６Ａに沿って形成されている（図２参照）。従って、この延出部４４により、第一集電板１６の周縁１６Ａに沿ったセパレータ３２の拘束長さを長く確保することができる。これにより、第一集電板１６の周方向に亘って第一集電板１６を燃料極２８に押し付けることができるので、燃料極２８と第一集電板１６との密着度をより一層高めることができる。

また、燃料極２８と第一集電板１６との接続面積は、延出部４４とセパレータ３２との接続面積よりも大きいので、燃料電池スタック１２の発電発熱時には、燃料電池スタック１２から延出部４４に伝達される熱よりも多くの熱を燃料極２８から第一集電板１６に伝達することができる。これにより、第一集電板１６をより効率的に熱膨張させることができるので、第一集電板１６を燃料極２８により一層高い荷重で押し付けることができる。

また、ベース部４２及び延出部４４を有するマニホールド１４と、第一集電板１６及び金属板２２を含む介在部６０は、燃料電池スタック１２の片側にのみ設けられているので、燃料極２８と第一集電板１６との密着度を高めつつ、構造を簡素化することができる。

次に、本発明の第一実施形態について行った検証実験を説明する。

本検証実験には、図５に示されるように、比較例に係る燃料電池３１０が用いられる。この比較例に係る燃料電池３１０は、上述の第一実施形態に係る燃料電池１０に対し、絶縁材２０及び金属板２２（図１参照）が省かれる代わりに、金属棒３１２、圧縮バネ３１４、及び、支持部材３１６を備えている。

ベース部４２の中央部には、孔３１８が形成されており、金属棒３１２は、この孔３１８に挿入されている。金属棒３１２の一端は、第一集電板１６に当接されており、金属棒３１２の他端には、圧縮バネ３１４が当接されている。支持部材３１６は、ベース部４２における孔３１８の両側部分に固定されており、この支持部材３１６と金属棒３１２との間には、圧縮バネ３１４が圧縮状態で介在されている。

この比較例に係る燃料電池３１０において、上記以外の構成は、上述の第一実施形態に係る燃料電池１０と同様である。比較例において、上述の第一実施形態と同様の構成については、同一符号を用いてある。

図６には、本発明の第一実施形態について行った検証実験の結果として、上述の第一実施形態に係る燃料電池１０（図１参照）と、比較例に係る燃料電池３１０（図５）について発電時の測定結果が示されている。横軸は、電流密度［Ａ／ｃｍ^２］を示し、第一縦軸及び第二縦軸は、それぞれ電圧［Ｖ］及び抵抗［Ω］を示している。

グラフＧ１は、第一実施形態に係る燃料電池１０における第一集電板１６及び第二集電板１８間の電圧を示し、グラフＧ２は、第一実施形態に係る燃料電池１０における第一集電板１６及び第二集電板１８間の抵抗を示す。一方、グラフＧ３は、比較例に係る燃料電池３１０における第一集電板１６及び第二集電板１８間の電圧を示し、グラフＧ４は、比較例に係る燃料電池３１０における第一集電板１６及び第二集電板１８間の抵抗を示す。

図６に示されるように、グラフＧ１は、グラフＧ３とほぼ重なっており、グラフＧ２は、グラフＧ４とほぼ重なっている。以上より、第一実施形態に係る燃料電池１０は、圧縮バネ３１４を用いた比較例に係る燃料電池３１０と同等の出力性能を有していると言える。

次に、本発明の第一実施形態の変形例について説明する。

第一実施形態において、図１に示されるベース部４２及び延出部４４は、マニホールド１４に形成されていたが、マニホールド１４以外の部材に形成されていても良い。また、ベース部４２及び延出部４４は、別体とされた上で一体に組み付けられても良い。

また、第一実施形態では、本発明における「電極保持部」の一例として、セパレータ３２が用いられていたが、セパレータ３２以外の電極保持部材が用いられても良い。

また、複数の燃料電池セル２４の積層方向Ｈにおける一方側の端部には、本発明における「複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極」の一例として、燃料極２８が設けられ、第一集電板１６は、この燃料極２８に重ね合わされていた。しかしながら、複数の燃料電池セル２４の積層方向Ｈにおける一方側の端部に空気極３０が設けられ、第一集電板１６は、この空気極３０に重ね合わされても良い。

また、介在部６０は、金属板２２を有していたが、金属板２２を有しなくても良い。また、介在部６０は、第一集電板１６のみを有していても良く、また、第一集電板１６、絶縁材２０、及び、金属板２２以外の部材を含んでいても良い。また、介在部６０が第一集電板１６のみを有する場合（介在部６０が第一集電板１６によって構成される場合）、マニホールド１４のうち少なくともベース部４２は、絶縁材料で形成されても良い。

また、第一集電板１６及び金属板２２は、いずれも延出部４４を有するマニホールド１４の全体よりも熱膨張率の高い材料で形成されていた。しかしながら、上述の如く燃料電池スタック１２の発電発熱時に第一集電板１６を燃料極２８に押し付けることができるのであれば、第一集電板１６及び金属板２２のいずれかは、マニホールド１４のうちの少なくとも延出部４４と同じ材料か又は延出部４４よりも熱膨張率の低い材料で形成されても良い。つまり、例えば、金属板２２はSUS310で形成され、第一集電板１６及びマニホールド１４はZMG232Lで形成されても良い。

また、第一集電板１６及び金属板２２は、マニホールド１４のうちの少なくとも延出部４４と同じ材料で形成されても良い。この場合、燃料電池スタック１２の発電発熱時には第一集電板１６に最も熱が伝わるので、延出部４４よりも第一集電板１６を熱膨張させることができる。これにより、この熱膨張に伴って第一集電板１６を燃料極２８に押し付けることができるので、燃料極２８と第一集電板１６との密着度を高めることができる。

また、一対の第一壁部４８及び第二壁部５０は、第一集電板１６の側方に設けられていたが（図２参照）、第一集電板１６の側方以外の場所に設けられていても良い。また、延出部４４からは、一対の第一壁部４８のうちのいずれかが省かれても良く、また、図２に示される第二壁部５０が省かれても良い。また、図２に示されるように、一対の第一壁部４８及び第二壁部５０は、第一集電板１６の周縁１６Ａに沿って延びる壁状に形成されていたが、例えば、柱状に形成されるなど、壁状以外の形状で形成されても良い。

また、図１に示されるように、燃料極２８と第一集電板１６との接続面積は、延出部４４とセパレータ３２との接続面積よりも大きくなっていた。しかしながら、上述の如く燃料電池スタック１２の発電発熱時に第一集電板１６を燃料極２８に押し付けることができるのであれば、燃料極２８と第一集電板１６との接続面積は、延出部４４とセパレータ３２との接続面積と同じか、又は、延出部４４とセパレータ３２との接続面積よりも小さくても良い。

また、第一実施形態では、燃料電池スタック１２の発電発熱時に、第一集電板１６及び金属板２２が熱膨張し、この熱膨張に伴って第一集電板１６が燃料極２８に押し付けられるようになっていた。しかしながら、例えば、延出部４４の方が介在部６０よりも高さ方向の寸法が短く形成されることで各部が弾性変形され、これにより、第一集電板１６が燃料極２８に予め押し付けられるように（第一集電板１６が燃料電池スタック１２の発電発熱前から燃料極２８に押し付けられるように）構成されていても良い。

また、第一実施形態では、燃料搬送路３４及び空気搬送路３６等を内部に有する内部マニホールド型の燃料電池スタック１２が用いられていたが、燃料電池１０は、燃料搬送路３４及び空気搬送路３６等を有するセパレータが燃料電池スタック１２の外部に設けられた構成とされていても良い。

また、第一実施形態における上記複数の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜組み合わされて実施されても良い。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。

図３に示される本発明の第二実施形態に係る燃料電池１１０は、上述の本発明の第一実施形態に係る燃料電池１０（図１参照）に対し、次のように構成が変更されている。本発明の第二実施形態において、上述の第一実施形態と同様の構成については、同一符号を用いる。

この第二実施形態に係る燃料電池１１０には、拘束部材１１４が追加されている。拘束部材１１４は、上述のマニホールド１４から燃料供給路５４及び空気供給路５６が省かれた構成とされている。この拘束部材１１４は、燃料供給路５４及び空気供給路５６が省かれた以外は、マニホールド１４と同様の構成であり、平板形のベース部１４２と、壁状の延出部１４４とを有している。このベース部１４２及び延出部１４４は、上述のマニホールド１４に設けられたベース部４２及び延出部４４と同様の構成である。

ベース部１４２は、積層方向Ｈにおける他方側に設けられた空気極３０に対して、積層方向Ｈの延長方向に離間して設けられている。また、延出部１４４は、ベース部１４２から燃料電池スタック１２側に延出されている。この延出部１４４の先端部１４４Ａは、例えばセラミックガラス等の接続部材１４６を介して、積層方向Ｈにおける他方側に設けられたセパレータ３２に固定されている。

積層方向Ｈにおける他方側に設けられた空気極３０と、拘束部材１１４に設けられたベース部１４２との間には、上述の第二集電板１８の他に、絶縁材１２０及び金属板１２２が設けられている。金属板１２２は、第二集電板１８にベース部１４２側から絶縁材１２０を介して重ね合わされている。

この第二集電板１８及び金属板１２２は、一例として、上述の第一集電板１６及び金属板２２と同様の材料で形成されており、延出部１４４を含む拘束部材１１４の全体よりも熱膨張率の高い材料で形成されている。この第二集電板１８、絶縁材１２０、及び、金属板１２２は、上述の空気極３０とベース部１４２との間に介在された介在部１６０を構成している。

そして、この第二実施形態に係る燃料電池１１０では、燃料電池スタック１２の発電発熱時に、第一集電板１６、第二集電板１８、及び、金属板２２，１２２が加熱される。このとき、積層方向Ｈにおける一方側に設けられたセパレータ３２が延出部４４によってベース部４２に対して拘束されると共に、積層方向Ｈにおける他方側に設けられたセパレータ３２が延出部１４４によってベース部１４２に対して拘束される。また、このように各セパレータ３２が拘束された状態で、第一集電板１６、第二集電板１８、及び、金属板２２，１２２が熱膨張する。

そして、第一集電板１６及び金属板２２の熱膨張に伴って第一集電板１６が燃料極２８に押し付けられ、燃料極２８と第一集電板１６との密着度が高まる。同様に、第二集電板１８及び金属板１２２の熱膨張に伴って第二集電板１８が空気極３０に押し付けられ、空気極３０と第二集電板１８との密着度が高まる。

なお、上述の第二集電板１８及び金属板１２２の少なくとも一方は、燃料電池スタック１２の発電発熱時に拘束部材１１４の延出部１４４よりも積層方向Ｈへの熱膨張量が多くなるように、その材料及び体積の少なくとも一方が設定されている。

このように、第二実施形態によれば、燃料電池スタック１２の両側に、ベース部４２，１４２、延出部４４，１４４、及び、介在部６０，１６０がそれぞれ設けられているので、燃料極２８と第一集電板１６との密着度、及び、空気極３０と第二集電板１８との密着度をそれぞれ高めることができる。これにより、燃料極２８と第一集電板１６との間での電力伝達損失、及び、空気極３０と第二集電板１８との間での電力伝達損失を低減することができる。

また、上述のように、圧縮バネを用いずに、第一集電板１６を燃料極２８に密着させることができると共に、第二集電板１８を空気極３０に密着させることができる。これにより、圧縮バネを不要とする分、コストアップを抑えつつ、小型化を図ることができる。

なお、この第二実施形態において、上述の第一実施形態と同様の構成については、第一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、この第二実施形態において、拘束部材１１４に設けられたベース部１４２及び延出部１４４は、別体とされた上で一体に組み付けられても良い。

また、介在部１６０は、金属板１２２を有していたが、金属板１２２を有しなくても良い。また、介在部１６０は、第二集電板１８のみを有していても良く、また、第二集電板１８、絶縁材１２０、及び、金属板１２２以外の部材を含んでいても良い。また、介在部１６０が第二集電板１８のみを有する場合（介在部１６０が第二集電板１８によって構成される場合）、拘束部材１１４のうち少なくともベース部１４２は、絶縁材料で形成されても良い。

また、第二集電板１８及び金属板１２２は、いずれも延出部１４４を有する拘束部材１１４の全体よりも熱膨張率の高い材料で形成されていた。しかしながら、上述の如く燃料電池スタック１２の発電発熱時に第二集電板１８を空気極３０に押し付けることができるのであれば、第二集電板１８及び金属板１２２のいずれかは、拘束部材１１４のうちの少なくとも延出部１４４と同じ材料か又は延出部１４４よりも熱膨張率の低い材料で形成されても良い。

また、本実施形態では、燃料電池スタック１２の発電発熱時に、第二集電板１８及び金属板１２２が熱膨張し、この熱膨張に伴って第二集電板１８が空気極３０に押し付けられるようになっていた。しかしながら、例えば、延出部１４４の方が介在部１６０よりも高さ方向の寸法が短く形成されることで各部が弾性変形され、これにより、第二集電板１８が空気極３０に予め押し付けられるように（第二集電板１８が燃料電池スタック１２の発電発熱前から空気極３０に押し付けられるように）構成されていても良い。

また、この第二実施形態において、上述の第一実施形態と同様の構成については、第一実施形態と同様の変形例が採用されても良い。

また、第二実施形態における上記複数の変形例のうち組み合わせ可能な変形例は、適宜組み合わされて実施されても良い。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。

図４に示される本発明の第三実施形態に係る燃料電池２１０は、上述の本発明の第二実施形態に係る燃料電池１１０（図３参照）に対し、次のように構成が変更されている。本発明の第三実施形態において、上述の第二実施形態と同様の構成については、同一符号を用いる。

この第三実施形態に係る燃料電池２１０において、拘束部材１１４に設けられた延出部１４４の先端部１４４Ａは、マニホールド１４に設けられた延出部４４の先端部４４Ａに接続部材４６を介して固定されている。また、この延出部１４４は、燃料電池スタック１２に対して離間されている。

この第三実施形態に係る燃料電池２１０において、複数の燃料電池セル２４の積層方向Ｈにおける一方側の端部に設けられた燃料極２８は、本発明における「複数の燃料電池セルにおける積層方向一方側の端部に設けられた第一電極」の一例であり、積層方向Ｈにおける他方側に設けられた空気極３０は、本発明における「複数の燃料電池セルにおける積層方向他方側の端部に設けられた第二電極」の一例である。

また、マニホールド１４に設けられたベース部４２及び延出部４４は、本発明における「第一ベース部」及び「第一延出部」の一例であり、拘束部材１１４に設けられたベース部１４２及び延出部１４４は、本発明における「第二ベース部」及び「第二延出部」の一例である。また、燃料電池スタック１２の一方側に設けられた介在部６０は、本発明における「第一介在部」の一例であり、燃料電池スタック１２の他方側に設けられた介在部１６０は、本発明における「第二介在部」の一例である。

この第三実施形態に係る燃料電池２１０によれば、一方のベース部４２から燃料電池スタック１２側に延出された延出部４４の先端部４４Ａは、積層方向Ｈにおける一方側に設けられた燃料極２８を保持するセパレータ３２に固定されており、この延出部４４により、セパレータ３２がベース部４２に対して拘束される。また、燃料極２８とベース部４２との間には、介在部６０が介在されており、この介在部６０には、金属製の第一集電板１６及び金属板２２が含まれている。

従って、燃料電池スタック１２の発電発熱時に第一集電板１６及び金属板２２が加熱された場合には、セパレータ３２がベース部４２に対して拘束された状態で、介在部６０に含まれる第一集電板１６及び金属板２２が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って第一集電板１６が燃料極２８に押し付けられる。これにより、燃料極２８と第一集電板１６との密着度を高めることができるので、燃料極２８と第一集電板１６との間での電力伝達損失を低減することができる。

さらに、他方のベース部１４２から燃料電池スタック１２側に延出された延出部１４４の先端部１４４Ａは、一方の延出部４４に固定されており、この他方の延出部１４４により、他方のベース部１４２が一方の延出部４４に対して拘束される。また、空気極３０とベース部１４２との間には、介在部１６０が介在されており、この介在部１６０には、金属製の第二集電板１８及び金属板１２２が含まれている。

従って、燃料電池スタック１２の発電発熱時に第二集電板１８及び金属板１２２が加熱された場合には、他方のベース部１４２が一方の延出部４４に対して拘束された状態で、介在部１６０に含まれる第二集電板１８及び金属板１２２が熱膨張する。そして、この熱膨張に伴って複数の燃料電池セル２４において重なり合う燃料極２８及び空気極３０同士が押し付けられると共に、第二集電板１８が空気極３０に押し付けられる。

これにより、重なり合う燃料極２８及び空気極３０同士の密着度を高めることができると共に、空気極３０と第二集電板１８との密着度を高めることができる。この結果、重なり合う燃料極２８及び空気極３０間の電力伝達損失、及び、空気極３０と第二集電板１８との間での電力伝達損失をそれぞれ低減することができる。

このように、第三実施形態によれば、第一集電板１６を燃料極２８に密着させることができると共に、第二集電板１８を空気極３０に密着させることができるだけでなく、複数の燃料電池セル２４において重なり合う燃料極２８及び空気極３０同士も密着させることができる。

なお、この第三実施形態において、上述の第一及び第二実施形態と同様の構成については、第一及び第二実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、この第三実施形態において、拘束部材１１４に設けられた延出部１４４の先端部１４４Ａは、延出部４４ではなく、ベース部４２に固定されても良く、また、ベース部４２及び延出部４４の両方に固定されても良い。

また、この第三実施形態において、上述の第一及び第二実施形態と同様の構成については、第一及び第二実施形態と同様の変形例が採用されても良い。

以上、本発明の一態様について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０…燃料電池、１２…燃料電池スタック、１４…マニホールド、１６…第一集電板（集電板の一例）、１６Ａ…周縁、１８…第二集電板、２０…絶縁材、２２…金属板、２４…燃料電池セル、２６…電解質層、２８…燃料極（複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極、及び、第一電極の一例）、３０…空気極（第二電極の一例）、３２…セパレータ（電極保持部の一例）、３４…燃料搬送路、３６…空気搬送路、３８…燃料搬送溝、４０…空気搬送溝、４２…ベース部（第一ベース部の一例）、４４…延出部（第一延出部の一例）、４４Ａ…先端部、４６…接続部材、４８…第一壁部、５０…第二壁部、５４…燃料供給路、５６…空気供給路、５８…電気取出部、６０…介在部（第一介在部の一例）、１１０…燃料電池、１１４…拘束部材、１２０…絶縁材、１２２…金属板、１４２…ベース部（第二ベース部の一例）、１４４…延出部（第二延出部の一例）、１４４Ａ…先端部、１４６…接続部材、１６０…介在部（第二介在部の一例）、２１０…燃料電池

Claims

積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池セルにおける積層方向の端部に設けられた電極に対して前記積層方向の延長方向に離間して設けられたベース部と、
前記ベース部から前記燃料電池スタック側に延出され、先端部が前記燃料電池スタックにおいて前記電極を保持する電極保持部に固定された延出部と、
前記電極に重ね合わされた金属製の集電板を少なくとも含み、前記電極と前記ベース部との間に介在された介在部と、
を備えた燃料電池。
前記複数の燃料電池セルに燃料ガス及び空気ガスを供給するマニホールドをさらに備え、
前記マニホールドは、前記ベース部及び前記延出部を有する、
請求項１に記載の燃料電池。
前記介在部は、前記集電板に前記ベース部側から絶縁材を介して重ね合わされた金属板を含む、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
前記集電板及び前記金属板の少なくとも一方は、前記延出部よりも熱膨張率の高い材料で形成されている、
請求項３に記載の燃料電池。
前記延出部は、前記集電板の側方に設けられている、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記延出部は、前記集電板の両側の側方に設けられている、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記延出部は、前記集電板の周縁に沿って形成されている、
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記電極と前記集電板との接続面積は、前記延出部と前記電極保持部との接続面積よりも大きい、
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記ベース部、前記延出部、及び、前記介在部は、前記燃料電池スタックの片側にのみ設けられている、
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記ベース部、前記延出部、及び、前記介在部は、前記燃料電池スタックの両側にそれぞれ設けられている、
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の燃料電池。
積層された固体酸化物形の複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
前記複数の燃料電池セルにおける積層方向一方側の端部に設けられた第一電極に対して前記積層方向の延長方向に離間して設けられた第一ベース部と、
前記複数の燃料電池セルにおける積層方向他方側の端部に設けられた第二電極に対して前記積層方向の延長方向に離間して設けられた第二ベース部と、
前記第一ベース部から前記燃料電池スタック側に延出され、先端部が前記燃料電池スタックにおいて前記第一電極を保持する電極保持部に固定された第一延出部と、
前記第二ベース部から前記燃料電池スタック側に延出され、先端部が前記第一ベース部及び前記第一延出部の少なくとも一方に固定された第二延出部と、
前記第一電極に重ね合わされた金属製の第一集電板を少なくとも含み、前記第一電極と前記第一ベース部との間に介在された第一介在部と、
前記第二電極に重ね合わされた金属製の第二集電板を少なくとも含み、前記第二電極と前記第二ベース部との間に介在された第二介在部と、
を備えた燃料電池。