JP2016048626A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【構成】固体酸化物形の燃料電池スタック１２は、電流を取り出すためのビア導体が露出した表面を有する。集電板１６ａ，１６ｂは、その一方主面がビア導体と対向するように燃料電池スタック１２の表面に配される。固定板１４ａ，１４ｂは、その一方主面を集電板１６ａ，１６ｂの他方主面と対向させて集電板１６ａ，１６ｂを固定する。スペーサ１８ａ，１８ｂは、燃料電池スタック１２の表面から固定板１４ａ，１４ｂの一方主面までの距離を集電板１６ａ，１６ｂの厚みと同等の距離に調整するべく、燃料電池スタック１２と固定板１４ａ，１４ｂとの間に配される。接着剤２８は、加熱によって軟化することで固定板１４ａ，１４ｂをスペーサ１８ａ，１８ｂを介して燃料電池スタック１２に固着させる。
【効果】燃料電池スタック１２と集電板１６ａ，１６ｂとの電気的接続の信頼性を高めることができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、燃料電池ユニットに関し、特に、燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流を取り出すための導体がその表面に導出された固体酸化物形の燃料電池スタックを備える、燃料電池ユニットに関する。

この種の燃料電池ユニットは、燃料電池スタックの端部から外部へ電流を取り出すための集電機構を有する。集電機構としては通常、板状やばね状の金属，合金または導電セラミックスが用いられる。

ただし、燃料電池スタックの表面や集電機構の表面には微小な凹凸や反りが存在するため、燃料電池スタックと集電機構との間の微小な隙間を埋めるために、金属，合金または導電セラミックスの導電材が別途必要になる。

ところで、集電機構および導電材は高温の酸化雰囲気に晒されるため、集電機構および導電材には、耐熱性に加えて酸化雰囲気に対する耐性が求められる。なお、集電機構および導電材は高温の還元雰囲気に晒される場合もあり、その場合には、酸化雰囲気に対する耐性の代わりに、還元雰囲気に対する耐性が求められる。

総じて、集電機構や導電材と燃料電池スタックをなすセパレータとの間には、熱膨張係数に差が存在し、熱応力による導電パスの破壊が問題となることが多い。そこで、ばね機構，ネジ締め機構，バインド機構などの種々の荷重機構を別途設けて、集電機構が燃料電池スタックに密着するように荷重を掛ける方式を採用するケースが多い。

国際公開第２０１０／０３８８６９号

しかし、燃料電池スタック以外に荷重機構を設ける必要があるため、燃料電池ユニットが大型化したり、セッティングが複雑化したり、コストが増大するなどの問題が生じる。

それゆえに、この発明の主たる目的は、荷重機構を設けることなく、燃料電池スタックと集電板との電気的接続の信頼性を高めることができる、燃料電池ユニットを提供することである。

この発明の燃料電池ユニットは、固体電解質層と、固体電解質層を介して積層された燃料極層および空気極層と、燃料極層および空気極層に積層されたセパレータとを備え、燃料極層に燃料ガスを供給するための燃料極ガス流路および空気極層に空気極ガスを供給するための空気極ガス流路が形成され、複数積層された燃料電池セルと、燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流を取り出すために燃料電池セルの積層方向端面に導出させた導体とを有する固体酸化物形の燃料電池スタックと、その一方主面が導体と対向するように燃料電池スタックの表面に配され、導体と電気的に接続された集電板と、その一方主面の一部を集電板の他方主面と対向させて集電板を固定するべく、集電板の他方主面に配された固定板と、燃料電池スタックの表面から固定板の一方主面までの距離を集電板の厚みと同等の距離に調整するべく、固定板の一方主面の他の一部の位置で燃料電池スタックと固定板との間に配されたスペーサと、加熱によって軟化することで固定板をスペーサを介して燃料電池スタックに固着させる接着剤とを備える。

好ましくは、スペーサは、燃料電池スタックの表面と対向する第１対向面と、固定板の一方主面と対向する第２対向面とを有し、接着剤は、燃料電池スタックの表面およびスペーサの第１対向面の間と、固定板の一方主面およびスペーサの第２対向面の間とに配される。

好ましくは、スペーサは固定板および燃料電池スタックの一方と一体成形され、スペーサは燃料電池スタックの表面および固定板の一方主面の一方と対向する対向面を有し、接着剤は燃料電池スタックの表面および固定板の一方主面の一方とスペーサの対向面との間に配される。

好ましくは、固定板およびスペーサの各々はセパレータの熱膨張係数と同一の熱膨張係数を有する。

好ましくは、燃料電池スタックの表面と集電板の一方主面との間に配された導電材がさらに備えられる。

さらに好ましくは、導電材は燃料電池スタックおよび集電板に生じた熱応力に応じて変形する構造を有する。

好ましくは、セパレータ、固定板およびスペーサの各々と集電板との間での熱膨張係数の差は２ｐｐｍ／℃以内である。

集電板は、燃料電池スタックの表面に配され、燃料電池セルの積層方向端面に導出された導体と電気的に接続される。固定板は、集電板の他方主面側から集電板を固定するために配され、スペーサは、燃料電池スタックの表面から固定板の一方主面までの距離を集電板の厚みと同等の距離に調整するために配される。

これを踏まえて、固定板は、加熱によって軟化する接着剤によって、スペーサを介して燃料電池スタックに固着する。この結果、燃料電池スタック，固定板および集電板が熱膨張することと相俟って、燃料電池スタックおよび固定板が集電板を挟み込む力が働き、荷重機構を設けることなく、燃料電池スタックと集電板との電気的接続の信頼性を高めることができる。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この実施例の燃料電池ユニットの外観を示す斜視図である。 分解された燃料電池ユニットの一部を示す斜視図である。 分解された燃料電池ユニットの他の一部を示す斜視図である。 燃料電池セルの側面および下面を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池ユニットの側面を拡大して示す側面図である。 （Ａ）は他の実施例の燃料電池ユニットの最下層に設けられる固定板およびスペーサを示す斜視図であり、（Ｂ）は他の実施例の燃料電池ユニットの最上層に設けられる固定板およびスペーサを示す斜視図である。 （Ａ）はその他の燃料電池ユニットをなす上側の燃料電池セルおよびスペーサを示す斜視図であり、（Ｂ）はその他の燃料電池ユニットをなす下側の燃料電池セルおよびスペーサを示す斜視図である。

図１〜図４を参照して、この実施例の燃料電池ユニット１０は、固体酸化物型の燃料電池ユニットであり、平板型の燃料電池スタック１２を含む。燃料電池スタック１２の上面（表面）には、燃料極ＡＮと電気的に接続されたビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…が露出する。また、燃料電池スタック１２の下面（表面）には、空気極ＣＴと電気的に接続されたビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…が露出する。燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流は、燃料極ＡＮ側のビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…と空気極ＣＴ側のビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…とによって外部に取り出される。

なお、この実施例では、燃料電池スタック１２をなす直方体の幅方向，奥行き方向および高さ方向に、Ｘ軸，Ｙ軸およびＺ軸をそれぞれ割り当てる。

燃料電池スタック１２にはまた、燃料極ガス用の２つのマニホールド（燃料極ガス流路）ＭＦｆ１およびＭＦｆ２と、空気極ガス用の２つのマニホールド（空気極ガス流路）ＭＦａ１およびＭＦａ２とが形成される。マニホールドＭＦｆ１，ＭＦｆ２，ＭＦａ１およびＭＦａ２のいずれも、Ｚ軸に沿って燃料電池スタック１２を貫通し、燃料電池スタック１２の上面および下面に開口する。

Ｚ軸方向から眺めると、マニホールドＭＦｆ１およびＭＦｆ２は燃料電池スタック１２の上面中央を基点としてＹ軸方向に延びる直線上に帯状に形成され、マニホールドＭＦａ１およびＭＦａ２は燃料電池スタック１２の上面中央を基点としてＸ軸方向に延びる直線上に帯状に形成される。より詳しくは、マニホールドＭＦｆ１は上面中央よりもＹ軸方向の正側に位置し、マニホールドＭＦｆ２は上面中央よりもＹ軸方向の負側に位置する。また、マニホールドＭＦａ１は上面中央よりもＸ軸方向の正側に位置し、マニホールドＭＦａ２は上面中央よりもＸ軸方向の負側に位置する。

したがって、燃料極ＡＮ側のビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…は、マニホールドＭＦｆ１，ＭＦｆ２，ＭＦａ１およびＭＦａ２を基準に４分割される。同様に、空気極ＣＴ側のビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…も、マニホールドＭＦｆ１，ＭＦｆ２，ＭＦａ１およびＭＦａ２を基準に４分割される。

集電板１６ａは、４つの小集電板１６１ａ〜１６４ａによって形成される。小集電板１６１ａ〜１６４ａの各々の主面（上面または下面）の面積は、凸部を除いて、燃料電池スタック１２の主面（上面または下面）の面積の１／４をやや下回る。また、集電板１６ｂは、４つの小集電板１６１ｂ〜１６４ｂによって形成される。小集電板１６１ｂ〜１６４ｂの各々の主面（上面または下面）の面積も、凸部を除いて、燃料電池スタック１２の主面の面積の１／４をやや下回る。

なお、集電板１６ａおよび１６ｂとしては、各々の主面の中央に十字形状の貫通穴を設けたものとしてもよい。この場合、集電板１６ａおよび１６ｂの各々は単一の板状体をなす。

小集電板１６１ａは、その下面（一方主面）がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の上面のＸ軸方向正側でかつＹ軸方向正側の位置に配される。小集電板１６２ａは、その下面（一方主面）がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…の他の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の上面のＸ軸方向負側でかつＹ軸方向正側の位置に配される。

小集電板１６３ａは、その下面（一方主面）がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…のその他の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の上面のＸ軸方向負側でかつＹ軸方向負側の位置に配される。小集電板１６４ａは、その下面（一方主面）がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…のさらにその他の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の上面のＸ軸方向正側でかつＹ軸方向負側の位置に配される。

小集電板１６１ｂは、その上面（一方主面）がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の下面のＸ軸方向正側でかつＹ軸方向正側の位置に配される。小集電板１６２ｂは、その上面（一方主面）がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…の他の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の下面のＸ軸方向負側でかつＹ軸方向正側の位置に配される。

小集電板１６３ｂは、その上面（一方主面）がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…のその他の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の下面のＸ軸方向負側でかつＹ軸方向負側の位置に配される。小集電板１６４ｂは、その上面（一方主面）がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…のさらにその他の一部と対向するように、燃料電池スタック１２の下面のＸ軸方向正側でかつＹ軸方向負側の位置に配される。

これによって、小集電板１６１ａ〜１６４ａつまり集電板１６ａはビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…と電気的に接続され、小集電板１６１ｂ〜１６４ｂつまり集電板１６ｂはビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…と電気的に接続される。

固定板１４ａの主面（上面または下面）は燃料電池スタック１２の上面の面積とほぼ一致する面積を有し、固定板１４ｂの主面（上面または下面）は燃料電池スタック１２の下面の面積とほぼ一致する面積を有する。

固定板１４ａは、その下面（一方主面）の一部が集電板１６ａの上面（他方主面）と対向するように集電板１６ａの上面に配される。固定板１４ｂは、その上面（一方主面）の一部が集電板１６ｂの下面（他方主面）と対向するように集電板１６ｂの下面に配される。ここで、固定板１４ａおよび１４ｂの各々の側面は、燃料電池スタック１２の側面に対して面一となる（ただし、面一であることは必須ではない）。また、固定板１４ｂについては、マニホールドＭＦｆ１，ＭＦｆ２，ＭＦａ１およびＭＦａ２をなす４つの貫通孔が形成される。集電板１６ａおよび１６ｂは、こうして配された固定板１４ａおよび１４ｂによって固定される。

スペーサ１８ａは、燃料電池スタック１２の上面から固定板１４ａの下面までの距離を集電板１６ａの厚みと同等の距離に調整するべく、集電板１６ａが欠落する位置（固定板１４ａの下面の他の一部の位置）で、燃料電池スタック１２と固定板１４ａとの間に配される。スペーサ１８ｂは、燃料電池スタック１２の下面から固定板１４ｂの上面までの距離を集電板１６ｂの厚みと同等の距離に調整するべく、集電板１６ｂが欠落する位置（固定板１４ｂの上面の他の一部の位置）で、燃料電池スタック１２と固定板１４ｂとの間に配される。

このとき、スペーサ１８ａの下面（第１対向面）は燃料電池スタック１２の上面と対向し、スペーサ１８ａの上面（第２対向面）は固定板１４ａの下面と対向する。同様に、スペーサ１８ｂの上面（第１対向面）は燃料電池スタック１２の下面と対向し、スペーサ１８ａの下面（第２対向面）は固定板１４ｂの上面と対向する。

また、集電板１６ａおよび１６ｂの各々が上述のように配されることから、スペーサ１８ａおよび１８ｂの各々の主面（上面または下面）は十字をなす。また、スペーサ１８ｂについては、マニホールドＭＦｆ１，ＭＦｆ２，ＭＦａ１およびＭＦａ２をなす４つの貫通孔が形成される。

図５から分かるように、燃料電池スタック１２の上面と集電板１６ａの下面との間には、導電材２６が配される。燃料電池スタック１２の下面と集電板１６ｂの上面との間にも、導電材２６が配される。燃料電池スタック１２と集電板１６ａおよび１６ｂの各々との間に生じた微小な隙間は、導電材２６によって埋められる。

また、燃料電池スタック１２の上面およびスペーサ１８ａの下面の間、ならびに固定板１４ａの下面およびスペーサ１８ａの上面の間には、接着剤２８が配される。接着剤２８は、燃料電池スタック１２の下面およびスペーサ１８ｂの上面の間、ならびに固定板１４ｂの上面およびスペーサ１８ｂの下面の間にも配される。この結果、固定板１４ａはスペーサ１８ａを介して燃料電池スタック１２に固着され、固定板１４ｂはスペーサ１８ｂを介して燃料電池スタック１２に固着される。

図２〜図４に戻って、燃料電池スタック１２は、各々が板状に形成されてＺ軸方向に積層された２つの燃料電池セル２０ａおよび２０ｂを含む。なお、燃料電池セル２０ａおよび２０ｂは同じ構造を有するため、共通の部材に共通の参照符号を付すことで、燃料電池セル２０ｂの構造に関する説明は省略する。

燃料電池セル２０ａは、空気極側導体層１２１，空気極層１２２，固体電解質層１２３，燃料極層１２４および燃料極側導体層１２５がこの順でＺ軸方向の正側に積層されてなる。空気極側導体層１２１は、セパレータＳＰ１を基材としてビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…が埋め込まれた層であり、空気極層１２２は、セパレータＳＰ２を基材として空気極ＣＴが埋め込まれた層であり、固体電解質層１２３は、電解質ＥＬを基材とする層である。また、燃料極層１２４は、セパレータＳＰ４を基材として燃料極ＡＮが埋め込まれた層であり、燃料極側導体層１２５は、セパレータＳＰ５を基材としてビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…が埋め込まれた層である。

燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの間には、金属板２２が配される。金属板２２もまた、４つの小金属板２２１〜２２４によって形成される。小金属板２２１〜２２４の各々の主面（上面または下面）の面積は、燃料電池セル２０ａまたは２０ｂの主面の面積の１／４をやや下回る。

小金属板２２１は、その上面がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…の一部と対向しかつその下面がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…の一部と対向するように、燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの間のＸ軸方向正側でかつＹ軸方向正側の位置に配される。小金属板２２２は、その上面がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…の他の一部と対向しかつその下面がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…の他の一部と対向するように、燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの間のＸ軸方向負側でかつＹ軸方向正側の位置に配される。

小金属板２２３は、その上面がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…のその他の一部と対向しかつその下面がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…のその他の一部と対向するように、燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの間のＸ軸方向負側でかつＹ軸方向負側の位置に配される。小金属板２２４は、その上面がビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…のさらにその他の一部と対向しかつその下面がビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…のさらにその他の一部と対向するように、燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの間のＸ軸方向正側でかつＹ軸方向負側の位置に配される。

燃料電池セル２０ａに設けられたビア導体ＶＨａ，ＶＨａ，…は、こうして配された金属板２２を介して、燃料電池セル２０ｂに設けられたビア導体ＶＨｆ，ＶＨｆ，…と電気的に接続される。

スペーサ２４は、燃料電池セル２０ａの下面から燃料電池セル２０ｂの上面までの距離を金属板２２の厚みと同等の距離に調整するべく、金属板２２が欠落する位置で燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの間に配される。このとき、スペーサ２４の上面は燃料電池セル２０ａの下面と対向し、スペーサ２４の下面は燃料電池セル２０ｂの上面と対向する。

また、金属板２２が上述のように配されることから、スペーサ２４の主面（上面または下面）は十字をなす。スペーサ２４にはさらに、マニホールドＭＦｆ１，ＭＦｆ２，ＭＦａ１およびＭＦａ２をなす４つの貫通孔が形成される。

図５から分かるように、燃料電池セル２０ａの下面と金属板２２の上面との間には、導電材２６が配される。燃料電池セル２０ｂの上面と金属板２２の下面との間にも、導電材２６が配される。金属板２２と燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの各々との間に生じた微小な隙間は、導電材２６によって埋められる。

また、燃料電池セル２０ａの下面およびスペーサ２４の上面の間には接着剤２８が配され、燃料電池セル２０ｂの上面およびスペーサ２４の下面の間にも接着剤２８が配される。この結果、燃料電池セル２０ａおよび２０ｂは、スペーサ２４を介して互いに固着される。

外部から供給された空気極ガスは、マニホールドＭＦａ１およびＭＦａ２を経て空気極ＣＴに達する。また、外部から供給された燃料極ガスは、マニホールドＭＦｆ１およびＭＦｆ２を経て燃料極ＡＮに達する。空気極ガスおよび燃料極ガスには化学式１および２に従う化学反応が生じ、この結果、プラス電圧およびマイナス電圧が電解質ＥＬの両面に現れる。
［化１］
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
［化２］
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

空気極ガスおよび燃料極ガスの一部は、化学反応を起こすことなく、燃料電池スタック１２の外部に排出される。空気極ガスは、空気極ＣＴと対向するようにセパレータＳＰ１の上面に形成された複数の溝ＧＲａ，ＧＲａ，…を経て排出される。また、燃料極ガスは、燃料極ＡＮと対向するようにセパレータＳＰ５の下面に形成された複数の溝ＧＲｆ，ＧＲｆ，…を経て排出される。排出された空気極ガスおよび燃料極ガスは互いに反応して熱を発生し、これによって熱自立が図られる。

固定板１４ａ〜１４ｂおよびスペーサ１８ａ〜１８ｂは、３ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を材料とする。燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの各々をなすセパレータＳＰ１〜ＳＰ５も、３ＹＳＺを材料とする。したがって、熱膨張係数は、固定板１４ａ〜１４ｂ，スペーサ１８ａ〜１８ｂおよびセパレータＳＰ１〜ＳＰ５の間で互いに同一である。また、集電板１６ａ〜１６ｂおよび金属板２２は、フェライト系ステンレスを材料とし、導電材２６は導電セラミックスであるＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガナイト）を材料とする。

なお、固定板１４ａ〜１４ｂ，スペーサ１８ａ〜１８ｂおよびセパレータＳＰ１〜ＳＰ５の間での熱膨張係数の相違は、５％以内であるのが好ましい。また、固定板１４ａ〜１４ｂ，スペーサ１８ａ〜１８ｂおよびセパレータＳＰ１〜ＳＰ５の各々と集電板１６ａ〜１６ｂとの間での熱膨張係数の差は、２ｐｐｍ／℃以内とされる。

集電板１６ａ〜１６ｂ，金属板２２および導電材２６の材料は、基本的には、金属，合金または導電セラミックスの中から任意に選択できる。ただし、燃料電池セル２０ａ〜２０ｂ，集電板１６ａ〜１６ｂおよび金属板２２には、燃料電池ユニット１０が動作する環境下で熱応力が生じる。

したがって、熱応力の抑制ひいては接続不良の回避の観点から、導電材２６の材料は、固定板１４ａ〜１４ｂ，スペーサ１８ａ〜１８ｂおよびセパレータＳＰ１〜ＳＰ５の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料とすることが好ましい。

また、電気抵抗を抑制する観点から、導電材２６は、導電性セラミックスであればＬａＳｒＭｎＯ３，ＬａＣｒＯ３，ＬａＣｏＯ３，ＭｎＣｏＯ３などをベースにしたものが好ましく、貴金属であればＡｇ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ或いはこれらのうちの２種以上から成る合金が好ましい。

さらに、導電材２６は、燃料電池スタック１２と集電板１６ａおよび１６ｂの各々との間に生じた微小な隙間、ならびに金属板２２と燃料電池セル２０ａおよび２０ｂの各々との間に生じた微小な隙間を埋めるために配される。したがって、導電材２６は、この熱応力を緩和する構造（メッシュ構造，フェルト構造，スポンジ構造，多孔質構造など容易に変形可能な構造）とされる。

また、接着剤２８は、結晶化ガラスを材料とし、７００℃近傍で軟化するとともに９００〜１０００℃で結晶化する。軟化しかつ結晶化した接着剤２８は、固定板１４ａ〜１４ｂ，スペーサ１８ａ〜１８ｂ，燃料電池セル２０ａ〜２０ｂに密着する。この結果、固定板１４ａはスペーサ１８ａを介して燃料電池セル２０ａに固着し、固定板１４ｂはスペーサ１８ｂを介して燃料電池セル２０ｂに固着し、そして燃料電池セル２０ａおよび２０ｂはスペーサ２４を介して互いに固着する。

この結果、燃料電池セル２０ａ〜２０ｂ，固定板１４ａ〜１４ｂ，集電板１６ａ〜１６ｂおよび金属板２２が熱膨張することと相俟って、燃料電池セル２０ａおよび固定板１４ａが集電板１６ａを挟み込む力が働き、燃料電池セル２０ｂおよび固定板１４ｂが集電板１６ｂを挟み込む力が働き、そして燃料電池セル２０ａおよび２０ｂが金属板２２を挟み込む力が働く。この挟み込み力は、接着剤２８の軟化から結晶化までの間に燃料電池ユニット１０の上下方向に荷重を掛けることで、さらに増大する。これによって、荷重機構を設けることなく、燃料電池スタック２０と集電板１６ａおよび１６ｂとの電気的接続の信頼性を高めることができる。

なお、この実施例では、スペーサ１８ａは固定板１４ａおよび燃料電池セル２０ａに対して別体とされ、スペーサ１８ｂも固定板１４ｂおよび燃料電池セル２０ｂに対して別体とされる。しかし、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、スペーサ１８ａおよび１８ｂはそれぞれ、固定板１４ａおよび１４ｂと一体成形するようにしてもよい。また、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示すように、スペーサ１８ａおよび１８ｂはそれぞれ、燃料電池セル２０ａをなすセパレータＳＰ５および燃料電池セル２０ｂをなすセパレータＳＰ１と一体成形するようにしてもよい。

図６（Ａ）によれば、スペーサ１８ａは固定板１４ａと一体成形され、スペーサ１８ａの下面（＝Ｚ軸方向の負側を向く面）は燃料電池スタック１２の表面と対向し、接着剤２８は燃料電池スタック１２の表面とスペーサ１８ａの下面との間に配される。図６（Ｂ）によれば、スペーサ１８ｂは固定板１４ｂと一体成形され、スペーサ１８ａの上面（＝Ｚ軸方向の正側を向く面）は燃料電池スタック１２の表面と対向し、接着剤２８は燃料電池スタック１２の表面とスペーサ１８ａの上面との間に配される。

図７（Ａ）によれば、スペーサ１８ａは燃料電池セル２０ａをなすセパレータＳＰ５と一体成形され、スペーサ１８ａの上面（＝Ｚ軸方向の正側を向く面）は固定板１４ａの下面と対向し、接着剤２８は固定板１４ａの下面とスペーサ１８ａの上面との間に配される。図７（Ｂ）によれば、スペーサ１８ｂは燃料電池セル２０ｂをなすセパレータＳＰ１と一体成形され、スペーサ１８ｂの下面（＝Ｚ軸方向の下側を向く面）は固定板１４ｂの上面と対向し、接着剤２８は固定板１４ｂの上面とスペーサ１８ｂの下面との間に配される。

さらに、この実施例では、固定板１４ａと集電板１６ａとの間には何も配されず、固定板１４ｂと集電板１６ｂとの間にも何も配されない。しかし、固定板１４ａと集電板１６ａとの間ならびに固定板１４ｂと集電板１６ｂとの間には、導電材を緩衝剤として配するようにしてもよい。

１０ …燃料電池ユニット
１２ …燃料電池スタック
１４ａ，１４ｂ …固定板
１６ａ，１６ｂ …集電板
２２ …金属板
１８ａ，１８ｂ，２４ …スペーサ
２０ａ，２０ｂ …燃料電池セル
２６ …導電材
２８ …接着剤
ＳＰ１〜ＳＰ５ …セパレータ
ＥＬ …電解質
ＡＮ …燃料極
ＣＴ …空気極

この発明の燃料電池ユニットは、固体電解質層と、固体電解質層を介して積層された燃料極層および空気極層と、燃料極層および空気極層に積層されたセパレータとを備え、燃料極層に燃料極ガスを供給するための燃料極ガス流路および空気極層に空気極ガスを供給するための空気極ガス流路が形成され、複数積層された燃料電池セルと、燃料極ガスおよび空気極ガスに基づいて発生した電流を取り出すために燃料電池セルの積層方向端面に導出させた導体とを有する固体酸化物形の燃料電池スタックと、その一方主面が導体と対向するように燃料電池スタックの表面に配され、導体と電気的に接続された集電板と、その一方主面の一部を集電板の他方主面と対向させて集電板を固定するべく、集電板の他方主面に配された固定板と、燃料電池スタックの表面から固定板の一方主面までの距離を集電板の厚みと同等の距離に調整するべく、固定板の一方主面の他の一部の位置で燃料電池スタックと固定板との間に配されたスペーサと、加熱によって軟化しかつ結晶化することで固定板をスペーサを介して燃料電池スタックに固着させる接着剤とを備える。

Claims (7)

1. 固体電解質層と、前記固体電解質層を介して積層された燃料極層および空気極層と、前記燃料極層および前記空気極層に積層されたセパレータとを備え、前記燃料極層に燃料ガスを供給するための燃料極ガス流路および前記空気極層に空気極ガスを供給するための空気極ガス流路が形成され、複数積層された燃料電池セルと、前記燃料極ガスおよび前記空気極ガスに基づいて発生した電流を取り出すために前記燃料電池セルの積層方向端面に導出させた導体とを有する固体酸化物形の燃料電池スタックと、
   その一方主面が前記導体と対向するように前記燃料電池スタックの表面に配され、前記導体と電気的に接続された集電板と、
   その一方主面の一部を前記集電板の他方主面と対向させて前記集電板を固定するべく、前記集電板の他方主面に配された固定板と、
   前記燃料電池スタックの表面から前記固定板の一方主面までの距離を前記集電板の厚みと同等の距離に調整するべく、前記固定板の一方主面の他の一部の位置で前記燃料電池スタックと前記固定板との間に配されたスペーサと、
   加熱によって軟化することで前記固定板を前記スペーサを介して前記燃料電池スタックに固着させる接着剤とを備える、燃料電池ユニット。
2. 前記スペーサは、前記燃料電池スタックの表面と対向する第１対向面と、前記固定板の一方主面と対向する第２対向面とを有し、
   前記接着剤は、前記燃料電池スタックの表面および前記スペーサの第１対向面の間と、前記固定板の一方主面および前記スペーサの第２対向面の間とに配される、請求項１記載の燃料電池ユニット。
3. 前記スペーサは前記固定板および前記燃料電池スタックの一方と一体成形され、
   前記スペーサは前記燃料電池スタックの表面および前記固定板の一方主面の一方と対向する対向面を有し、
   前記接着剤は前記燃料電池スタックの表面および前記固定板の一方主面の一方と前記スペーサの対向面との間に配される、請求項１記載の燃料電池ユニット。
4. 前記固定板および前記スペーサの各々は前記セパレータの熱膨張係数と同一の熱膨張係数を有する、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
5. 前記燃料電池スタックの表面と前記集電板の一方主面との間に配された導電材をさらに備える、請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池ユニット。
6. 前記導電材は前記燃料電池スタックおよび前記集電板に生じた熱応力に応じて変形する構造を有する、請求項５記載の燃料電池ユニット。
7. 前記セパレータ、前記固定板および前記スペーサの各々と前記集電板との間での熱膨張係数の差は２ｐｐｍ／℃以内である、請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池ユニット。

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