JP2016066415A - 固体酸化物形燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池単セルの変形に対する追従性を確保しつつ燃料電池単セルからエンドプレートに至る電流経路の抵抗上昇を抑制し得る燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、１対の端部材の間に燃料電池単セルＣ（１）とインターコネクタ５が複数個交互に配置され、第１の端部材３と第１のインターコネクタ５（１）との間に形成された空間３ａに、弾性部材２０及び導電性部材２１からなる接続部材Ｊが配置されている。導電性部材２１の一部が第１の端部材３と弾性部材２０との間に配置され他の部分が第１のインターコネクタ５（１）と弾性部材２０との間に配置され、第１の端部材３と第１のインターコネクタ５（１）とは導電性部材２１を介して電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池単セルとインターコネクタとを交互に配置し、燃料電池単セル同士の対向方向の両端を１対の端部材により挟んだ構造を有する固体酸化物形燃料電池スタックに関するものである。
従来から、燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを有する燃料電池単セルを用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）が知られている。このように燃料電池単セルとインターコネクタとを複数個交互に配置し、燃料電池単セル同士の対向する方向の両端を１対のエンドプレート（端部材）で挟んで固定することで、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。一般に、エンドプレートは平板状の金属部材であり、エンドプレートの平坦面がインターコネクタに接合されている。インターコネクタは集電体を介して燃料電池単セルと電気的に接続されるので、燃料電池単セルからエンドプレートまでの電流経路が構成されることになる。
燃料電池スタックの運転動作時には、各構成部分における熱膨張率差や圧力差の影響により燃料電池単セルが変形する可能性がある。そして、燃料電池単セルの変形に対してインターコネクタやエンドプレートが追従できず、電気的接続の信頼性を損なう恐れがある。このような燃料電池スタックの電気的接続の信頼性を確保するための種々の方策が提案されている。例えば、特許文献１には、エンドプレート（外縁保持部材）に形成した凹部に、燃料電池単セルの変形に追従する積層体を収容した構造が開示されている。また例えば、特許文献２には、エンドプレートの外側にケースを取り付け、このケースとエンドプレートとの間に弾性力を有する皿ばねを挿入し、熱膨張量に応じて皿ばねが圧縮又は伸長する構造が開示されている。
国際公開第２０１０／０３８８６９号パンフレット 特開２００２−２９８９０１号公報
しかし、燃料電池スタックが高温で動作しているときは、燃料電池単セルの変形量はかなり大きくなるが、特許文献１のような熱膨張率差や圧力差を用いた場合は、燃料電池単セルの大きな変形に追従し得る程度の機能を得ることは困難である。さらに、エンドプレートとインターコネクタとの間に電気を通さない箇所が存在するため、電流経路が極端に狭くなることによる電気抵抗の上昇が問題となる。また、特許文献２のような構造を採用したとしても、剛性が高いエンドプレートが燃料電池単セルの大きな変形に追従することは困難である。よって、従来の特許文献１、２の構造により、燃料電池単セルの変形に追従できないことに起因して電気的接触が劣化するので、燃料電池単セルからエンドプレートに至る電流経路の電気抵抗が上昇し、発電性能が低下する懸念がある。
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、エンドプレートとインターコネクタの接続構造に基づき燃料電池単セルの変形に対する追従性を確保でき、燃料電池単セルからエンドプレートに至る電流経路の抵抗上昇を抑制し得る燃料電池スタックを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを有する燃料電池単セルとインターコネクタとを複数個交互に配置し、燃料電池単セル同士の対向する方向の両端を１対の端部材により挟んだ構造を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記１対の端部材のうち少なくとも一方の第１の端部材と第１のインターコネクタとの間に空間が形成され、前記空間に、弾性部材と導電性部材からなる接続部材が配置されており、前記燃料電池単セル同士の対向する方向において前記導電性部材の一部が前記第１の端部材と前記弾性部材との間に配置され他の部分が前記第１のインターコネクタと前記弾性部材との間に配置され、前記第１の端部材と前記第１のインターコネクタとは前記導電性部材を介して電気的に接続することを特徴としている。
本発明によれば、燃料電池スタックのうち隣接する第１の端部材と第１のインターコネクタの間の空間には、弾性部材及び導電性部材からなる接続部材が配置され、導電性部材を介して第１の端部材と第１のインターコネクタが電気的に接続される。このような構造を採用したので、弾性部材の弾性力により高温動作時の燃料電池単セルの変形に対する追従性が確保でき、導電性部材が電流経路の一部をなすので第１の端部材と第１のインターコネクタとの接触に起因する電気抵抗の低下を防止することができる。また、金属材料からなるバネ部材を用いる場合であっても、高温時のクリープを生じない弾性部材を導電性部材と組み合わせているため、クリープに起因する弾性力の低下を防止することができる。
本発明において、接続部材の単位構造には、導電性部材の屈曲した板状部を含めることができる。この場合、単位構造の導電性部材が有する屈曲した導電性部材の板状部は多様な形状で形成することができる。例えば、板状部の一端が第１の端部材と弾性部材との間に配置され、板状部の他端が第１のインターコネクタと弾性部材との間に配置された導電性部材を含む単位構造を採用してもよい。あるいは、板状部の一端が第１の端部材と弾性部材との間に配置され、板状部の他端が第１のインターコネクタと空間に配置された他の弾性部材との間に配置された導電性部材を含む単位構造を採用してもよい。
本発明において、弾性部材及び導電性部材の材料は多様な選択が可能である。典型的には、絶縁性材料を用いて弾性部材を形成し、金属材料を用いて導電性部材を形成することができる。弾性部材については、例えば、高温時のクリープが生じにくいマイカを用いて形成することが望ましい。これにより、燃料電池単セルの変形に対するインターコネクタの追従性を確保することが容易となる。導電性部材については、例えば、良好な導電性を有するニッケルを主成分として形成することが望ましい。これにより、端部材とインターコネクタとの間の電気的な抵抗上昇を低減することができる。また、本発明において、前記空間には還元ガスを充填してもよい。これにより、導電性部材の酸化に起因する電気抵抗の増加を抑制することができる。
本発明において、燃料電池単セルを挟んで第１のインターコネクタに対向する位置に第２のインターコネクタを設け、燃料電池単セルと前記第２のインターコネクタとの間には第２の空間が形成され、前記第２の空間には、第２の弾性部材と第２の導電性部材とが配置され、第２の導電性部材の一部が燃料電池単セルと第２の弾性部材との間に配置され第２の導電性部材の他の部分が第２のインターコネクタと第２の弾性部材との間に配置されるように形成された集電体を設けてもよい。これにより、第１の端部材と第１のインターコネクタの間の接続部材と燃料電池単セルと第２のインターコネクタとの間の集電体の構造を共通化でき、燃料電池スタックの製造コストの低減が可能となる。
以上述べたように本発明によれば、剛性が高い端部材を用いる場合であっても、高温動作時の燃料電池単セルの変形に対して十分に追従し、金属部材の高温時のクリープの影響を抑制しつつ、端部材とインターコネクタとの間の電気的接触を良好に保ち、かつ導電性部材を端部材とインターコネクタとの間に配置することで電気抵抗の上昇に起因する発電性能の劣化を抑制し得る燃料電池スタックを実現することができる。
本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック１の全体の斜視図である。 本実施形態の燃料電池スタック１のうち本発明の特徴を反映した基本構造を説明するための断面構造を示す図である。 図２の接続部材Ｊの具体的な構造例を示す斜視図である。 図３の角部付近の部分的な構造を説明するための部分拡大図である。 本発明の接続構造を説明するために、図２のエンドプレート３、接続部材Ｊ、インターコネクタ５（１）、空気極側集電体１０、単セルＣ（１）を含む構成部分を示す図である。 本発明の接続構造との対比のための第１の比較例を示す図である。 本発明の接続構造との対比のための第２の比較例を示す図である。 本発明の接続構造との対比のための第３の比較例を示す図である。 接続部材Ｊの構造に関し、弾性部材６０ａ、６０ｂ及び導電性部材６１からなる変形例を示す図である。 接続部材Ｊの構造に関し、弾性部材７０ａ、７０ｂ及び導電性部材７１からなり、導電性部材７１の連結方向が図９とは異なる変形例を示す図である。 接続部材Ｊの構造に関し、弾性部材８０及び導電性部材８１からなり、導電性部材８１が弾性部材８０を取り囲むように形成された変形例を示す図である。 エンドプレート３の構造に関する変形例を示す図である。 本実施形態の燃料電池スタック１における図２の基本構造に関する変形例を示す図である。 本実施形態の燃料電池スタック１における図２の基本構造に関する他の変形例を示す図である。 図１４のターミナルプレート５１の構造に関する変形例を示す図である。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を固体酸化物形燃料電池スタックに対して適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック（以下、「燃料電池スタック」という）１の全体の斜視図を示している。本実施形態の燃料電池スタック１は、発電単位２を複数個（例えば２０個）備えている。発電単位２は、１対のインターコネクタ５と、燃料電池単セル（以下、単に「単セル」ともいう）Ｃと、空気極側集電体１０と、空気極側絶縁フレーム１１と、セパレータ１２と、燃料極側フレーム１３と、絶縁フレーム１４と、燃料極側集電体１５とを備えている（図２参照）。発電単位２の詳しい説明は後で説明する。燃料電池スタック１に含まれる発電単位２の個数は制約されないが、本実施形態に係る燃料電池スタック１の出力電圧や出力電流に応じて適切に設定される。本実施形態では、説明の便宜上、各図面の方向を基準に「上」、「下」等の方向を表記するが、実際の燃料電池スタック１の方向性を規定するものではない。
図１に示すように、燃料電池スタック１は、複数のボルトＢ１〜Ｂ８及び複数のナットＮによって複数の発電単位２が一体的に固定されている。燃料電池スタック１においては、複数のボルトＢ１〜Ｂ８に対応する位置にそれぞれ貫通孔Ｈが形成され、上述の複数の発電単位２が上下のエンドプレート３、４に挟まれた状態で固定されている。図１の方形平面内の四隅に位置する４個のボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７は、燃料電池スタック１を構成する複数の発電単位２を固定する連結部材としてのみ用いられる。一方、それ以外の４個のボルトＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８は、上記連結部材に加えて、燃料ガス又は空気（酸化剤ガス）の流路の一部（入口又は出口）として機能する。図１には、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を表記している。
次に図２は、本実施形態の燃料電池スタック１のうち、本発明の特徴を反映した基本構造を説明するために、上側のエンドプレート３から２番目のインターコネクタ５（２）に至る範囲内の断面構造を示している。図２には、説明の便宜上、横方向のＸ軸及び縦方向のＺ軸を表記している。なお、図１の流路構造については、図２では省略している。図２に示す基本構造には、上側のエンドプレート３と、上下のインターコネクタ５（１）、５（２）と、弾性部材２０及び導電性部材２１からなる接続部材Ｊと、燃料電池スタック１に含まれる複数の単セルＣのうち最上部に位置する単セルＣ（１）と、空気極側集電体１０と、空気極側絶縁フレーム１１と、セパレータ１２と、燃料極側フレーム１３と、絶縁フレーム１４と、燃料極側集電体１５を含んでいる。
図２において、エンドプレート３（本発明の第１の端部材）は、中央下部に平面視で矩形の凹部が形成された板状の金属部材である。すなわち、エンドプレート３の中央部３ｃの厚さに比べ、外周部３ｂは大きい厚さで形成されている。また、エンドプレート３の下側には平板状のインターコネクタ５（１）が配置される。これにより、エンドプレート３の凹部の下側がインターコネクタ５（１）により塞がれることで空間３ａが形成される。インターコネクタ５（１）（本発明の第１のインターコネクタ）は、エンドプレート３と単セルＣ（１）との間の電気的接続を担う平板状の金属部材である。なお、他のインターコネクタ５は、図２のインターコネクタ５（１）と同じ構造である。エンドプレート３及びインターコネクタ５は、いずれも導電性を有する金属材料を用いて形成される。
エンドプレート３とインターコネクタ５（１）の間の空間３ａには、弾性部材２０及び導電性部材２１からなる接続部材Ｊの単位構造が所定の間隔で並んで配置されている。なお、図２では、理解の容易のため、接続部材Ｊの４つの単位構造が配置される例を示しているが、接続部材Ｊの単位構造の配置数は特に制約されない。接続部材Ｊは、弾性部材２０を導電性部材２１が上下から挟み込む構造を有し、導電性部材２１がエンドプレート３及びインターコネクタ５（１）と接触した状態で固定される。弾性部材２０は、導電性部材２１の上端及び下端の間のスペーサとして機能し、単セルＣ（１）の変形に対する追従性を高める役割がある。導電性部材２１は、板状の金属部材をＵ字状に屈曲した断面形状を有し、エンドプレート３とインターコネクタ５（１）との電気的接続を担う役割がある。なお、弾性部材２０及び導電性部材２１に関し、より具体的な構造及び作用効果については後述する。
弾性部材２０は、例えば、マイカなどの弾性力を有する絶縁材料により形成される。導電性部材２１は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などの導電性が高い金属材料を主成分として形成される。また、空間３ａの内部には、水素等の還元ガスを充填しておくことが望ましい。これは、導電性部材２１の表面に酸化被膜が形成されると抵抗が増加するため、還元ガスにより導電性部材２１の酸化を防止するためである。あるいは、ステンレス鋼などにより導電性部材２１に表面処理を施すことにより、導電性部材２１の酸化を防止してもよい。
空間３ａ及び接続部材Ｊの寸法例としては、Ｚ方向において、空間３ａの高さが約１ｍｍに対し、弾性部材２０の厚さを０．５ｍｍとし、かつ導電性部材２１の単位構造の両端の各板状部の厚さを０．２５ｍｍ（計０．５ｍｍ）とすることができる。この場合、接続部材Ｊが空間３ａに配置されない状態で、弾性部材２０及び導電性部材２１を合わせた高さを１ｍｍより若干大きくしておくことで、導電性部材２１の両端の各板状部をエンドプレート３及びインターコネクタ５（１）に対して十分に付勢することができる。
単セルＣを構成する各々の部位は、下層側から順に、燃料極層３０と、固体電解質層３１と、空気極層３２とが積層形成されてなる。燃料極層３０は、水素源となる燃料ガスに接触し、単セルＣのアノードとして機能する。燃料極層３０の材料としては、例えば、Ｎｉ、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金などの金属を用いることができる。固体電解質層３１は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。固体電解質層３１の材料としては、例えば、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を用いることができる。空気極層３２は、酸素源となる酸化剤ガス（空気）に接触し、単セルＣのカソードとして機能する。空気極層３２の材料としては、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）等のペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットを用いることができる。
図２に示すように、単セルＣ（１）の空気極層３２は、空気極側集電体１０を介して上側のインターコネクタ５（１）と電気的に接続され、単セルＣ（１）の燃料極層３０は、燃料極側集電体１５を介して下側のインターコネクタ５（２）（本発明の第２のインターコネクタ）と電気的に接続されている。なお、空気極側集電体１０の材料としては、例えば、Ａｇ−Ｐｄ等の金属材料が用いられ、燃料極側集電体１５の材料としては、例えば、通気性を有するＮｉフェルト等の材料が用いられる。なお、空気極側集電体１０は、インターコネクタ５から突出するインターコネクタ５と一体形状としてもよい。
上下のインターコネクタ５（１）、５（２）の間の外周領域には、上から順に空気極側絶縁フレーム１１、セパレータ１２、燃料極側フレーム１３、絶縁フレーム１４が配置されている。このうち、ガス流路を隔離する役割を有するセパレータ１２は、可撓性を有する金属の薄板であり、中央に形成された開口を取り囲む領域が固体電解質層３１の外周側の上面に接合されている。また、空気極側絶縁フレーム１１は、空気極側集電体１０を取り囲むように配置され、燃料極側フレーム１３は、燃料極層３０及び固体電解質層３１を取り囲むように配置され、絶縁フレーム１４は、燃料極側集電体１５を取り囲むように配置される。
なお、図２には示されないが、インターコネクタ５（２）の下側に配置される単セルＣ及びインターコネクタ５に関しても、図２と同様の構造が繰り返し配置される。ただし、下側のエンドプレート４については、上側のエンドプレート３と同じ構造としてもよいが、上部の燃料極側集電体１５又は燃料極層３０と直接接触する構造としてもよく、この場合は単なる平板状の金属部材を用いることも可能である。すなわち、本発明の構造は、燃料電池スタック１のうち、Ｚ方向の少なくとも一方の端部に対して適用することができる。
ここで、図２の接続部材Ｊの具体的な構造例について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、接続部材Ｊの具体的な構造例を示す斜視図であり、図４は、図３の角部付近の部分的な構造を説明するための部分拡大図である。接続部材Ｊを構成する弾性部材２０及び導電性部材２１はいずれも全体的に平板状であって、平面視で重なるように配置されている。なお、図３では、接続部材Ｊの１００個（１０×１０）の単位構造が等間隔で形成されている例を示している。図４に示すように、初期時点では導電性部材２１の上端部２１ａの両側に切込線２１ｃが形成されており、屈曲部２１ｄをＵ字状に折り曲げることで上端部２１ａと下端部２１ｂが弾性部材２０を上下から挟み込む形状になる。
また、弾性部材２０に用いる絶縁材料としては、前述のマイカに加え、アルミナフェルト、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素遷移、シリカのいずれか１種、あるいは複数種を組み合わせて用いることができる。これらの絶縁材料をマイカのような薄板状の積層構造とすることが望ましい。弾性部材２０の積層方向への荷重に対して適度な弾性を付与し得るからである。
なお、図３及び図４の例では、１個の弾性部材２０と１個の導電性部材２１を一体化した接続部材Ｊが構成されるが、複数の弾性部材２０と複数の導電性部材２１とを集合的に組み合せて接続部材Ｊを構成してもよい。
次に、図２のエンドプレート３、接続部材Ｊ、インターコネクタ５（１）の特徴的な接続構造及び作用効果について具体的に説明する。図５は、本発明の接続構造を説明するために、図２のうちのエンドプレート３、接続部材Ｊ、インターコネクタ５（１）、空気極側集電体１０、単セルＣ（１）を含む構成部分を示している。一方、図６〜図８は、本発明の接続構造との対比のため、図５の部分を異なる構造で構成した比較例をそれぞれ示している。
まず、図６に示す第１の比較例は、図５のエンドプレート３とは異なる平板状のエンドプレート４０を用いた構造を有する。第１の比較例は、エンドプレート４０の構造は単純であるが、インターコネクタ５（１）との間に空間３ａが形成されず、接続部材Ｊも配置することができない。図６に示すように、エンドプレート４０とインターコネクタ５（１）は互いに密着した状態で電気的に接続している。また、単セルＣ（１）には、燃料電池スタック１の初期の組み付け時のボルトＢ１〜Ｂ８（図１）の締結により、適度な接触荷重が加わっている。しかし、第１の比較例によれば、エンドプレート４０の剛性が高いため、単セルＣ（１）に対して局所的な荷重がかかり単セルＣ（１）を破損させる恐れがある。さらに、高温で発電を行う単セルＣ（１）が変形したときに、エンドプレート４０に密着しているインターコネクタ５（１）は単セルＣ（１）の変形に追従できなくなる。そのため、インターコネクタ５（１）から空気極側集電体１０を介した単セルＣ（１）との接触が発電動作に伴い劣化し、この部分の電気抵抗が上昇する恐れがある。
次に、図７に示す第２の比較例は、図５と同様の構造のエンドプレート３を用いつつ、空間３ａに図５の接続部材Ｊを配置しない構造を有する。第２の比較例は、第１の比較例と異なり、単セルＣ（１）に対向する部分に空間３ａを設けたので、剛性の高いエンドプレート３にインターコネクタ５（１）が密着せず、単セルＣ（１）の変形に対する追従性が向上する。しかし、第２の比較例によれば、エンドプレート３とインターコネクタ５（１）が密着する部分の面積が減少し、初期の組み付け時に適切な接圧を確保することができないため、発電動作時の接触抵抗が増加する恐れがある。また、図７に示すように、発電動作時の単セルＣ（１）から流れる電流の経路は、厚みが薄く比較的抵抗の高いインターコネクタ５（１）を横方向に流れるので、インターコネクタ５（１）における電圧降下が大きくなる恐れがある。
次に、図８に示す第３の比較例は、前述の空間３ａ内に、金属材料から形成されるバネ部材４１を配置した構造を有する。図８に示すように、バネ部材４１は、その弾性力により上端のエンドプレート３と下端のインターコネクタ５（１）のそれぞれに付勢された状態で配置され、エンドプレート３とインターコネクタ５（１）との間を電気的に接続している。このように、第３の比較例によれば、抵抗が低いバネ部材４１を用いることで、第２の比較例における接触抵抗や電圧降下の問題を抑制する有効な手段を提供することができる。しかし、第３の比較例によれば、バネ部材４１に用いる金属材料は高温時のクリープに起因して、時間経過とともにバネ部材４１の歪みが増大し、長期間にわたってバネ部材４１の弾性力を安定に保つことが困難になる。
なお、第３の比較例におけるバネ部材４１を金属部材に代えて絶縁材料を用いて形成することも可能であり、これにより前述のクリープに起因する問題は解消される。この場合、バネ部材４１の弾性力により第２の比較例における接触抵抗の増加は抑制できるものの、電流がインターコネクタ５（１）を横方向に流れることによる電圧降下の問題は依然として残ることになる。
これに対し、本実施形態の図２の構造を採用した場合には、第１〜第３の比較例を採用する場合の上記問題をいずれも解消することができる。本発明の構成によれば、第１の比較例のような単セルＣ（１）に対する追従性の低下を防止することができるとともに、第２の比較例のような初期の組み付け時に適切な接圧を確保できないことに起因する接触抵抗の増加を抑制することができる。また、空間３ａに弾性部材２０及び導電性部材２１からなる接続部材Ｊを配置したので、第２の比較例のような横方向に流れる電流に起因するインターコネクタ５（１）の電圧降下の問題も生じないとともに、第３の比較例で問題となるクリープを生じないマイカ等の材料を弾性部材２０として用いることで、長時間にわたって弾性部材２０の弾性力を安定に保つことが可能となる。さらに、燃料電池スタック１の組付け時の単セルＣ（１）の凹凸や曲率に起因する応力を平坦化し、単セルＣ（１）の割れを防止することができる。
以上、図１〜図８を用いて、本発明を適用した燃料電池スタック１の実施形態について説明したが、上記実施形態には限られず、多様な変形例に対して本発明を適用可能である。図９〜図１１は、図２の接続部材Ｊの構造に関する変形例を示している。まず、図９の変形例に係る接続部材Ｊ（単位構造）は、弾性部材６０ａ、６０ｂ及び導電性部材６１からなり、一方の弾性部材６０ａがエンドプレート３と導電性部材６１の下端部の間に配置され、他方の弾性部材６０ｂが導電性部材６１の上端部とインターコネクタ５（１）との間に配置され、導電性部材６１の上端部及び下端部が斜め上下に連結された断面形状を有する。弾性部材６０ａ、６０ｂは、単位構造が図９の断面形状に形成されていれば、一体的な構造と分離された構造のいずれであってもよい。また、図１０の変形例に係る接続部材Ｊ（単位構造）は、図９と似た構造を有する弾性部材７０ａ、７０ｂ及び導電性部材７１からなるが、導電性部材７１の上端部及び下端部の連結方向が図９とは異なっている。
また、図１１の変形例に係る接続部材Ｊ（単位構造）は、弾性部材８０及び導電性部材８１からなり、単位構造の断面形状は導電性部材８１が弾性部材８０を取り囲むように形成されている。つまり、図２の導電性部材２１の両側の側面が連結された断面形状となっている。以上のように、接続部材Ｊの構造は多様であり、図９〜図１１以外にも多くの変形例を適用することができる。
一方、図１２は、図２のエンドプレート３の構造に関する変形例を示している。図１２の変形例に係るエンドプレート３は、平板状のプレート部材９０と、中央に開口部が形成されたフレーム部材９１とを接合した構造を有する。すなわち、フレーム部材９１の開口部は、プレート部材９０とインターコネクタ５（１）とに挟まれた状態で空間３ａを形成し、この空間３ａに図２と同様の接続部材Ｊが配置される。プレート部材９０及びフレーム部材９１は、いずれも図２のエンドプレート３に比べ簡単な構造であるため、加工が容易となる。このように、本実施形態のエンドプレート３は１つの部材には限られず、複数の部材を用いて構成することが可能である。
また、図１３は、本実施形態の燃料電池スタック１における図２の基本構造に関する変形例を示している。図１３においては、図２の燃料極側集電体１５を、接続部材Ｊと同じ構造の燃料極側集電体１００で置き換えた点である。すなわち、単セルＣ（１）と下側のインターコネクタ５（２）とを電気的に接続する燃料極側集電体１００は、弾性部材１０１を導電性部材１０２が上下から挟み込む構造を有する。図１３の例では、燃料極側集電体１００を構成する弾性部材１０１及び導電性部材１０２の形状及び材質は、接続部材Ｊを構成する弾性部材２０及び導電性部材２１と共通である。よって、燃料電池スタック１の製造に際し、接続部材Ｊ及び燃料極側集電体１００を共通部材として用いて形成できるので、製造コストの低減に効果がある。また、接続部材Ｊと燃料極集電体１００とが共通の形状を有することで、上下方向からから単セルＣ（１）に対して適度な接圧を加えることができ、さらに、単セルＣ（１）の変形に対するインターコネクタ５の追従性が向上する。
さらに、図１４は、本実施形態の燃料電池スタック１における図２の基本構造に関する他の変形例を示している。図１４においては、図２とは異なり、エンドプレート３の中央下部に平面視で矩形の凹部が形成されていない。図１４においては、エンドプレート３とインターコネクタ５（１）との間に、エンドプレート３側から順に、絶縁プレート５０とターミナルプレート５１が配置されている。図１４に示す変形例において、ターミナルプレート５１は、中央下部に平面視で矩形の凹部が形成されている。すなわち、ターミナルプレート５１の中央部５１ｃの厚さに比べ、外周部５１ｂは大きい厚さで形成されている。また、ターミナルプレート５１の下側には平板状のインターコネクタ５（１）が配置される。これにより、ターミナルプレート５１の凹部の下側がインターコネクタ５（１）により塞がれることで空間５１ａが形成される。図１４に示す変形例においてはエンドプレート３と絶縁プレート５０とターミナルプレート５１とを合わせて、本発明の第１の端部材である。その他の構成は図２の基本構造と同様である。図１４に示す基本構造の変形例においても本発明の効果を奏することは言うまでもない。
一方、図１５は、図１４のターミナルプレート５１の構造に関する変形例を示している。図１５の変形例に係るターミナルプレート５１は、平板状のプレート部材２００と、中央に開口部が形成されたフレーム部材２０１とを接合した構造を有する。すなわち、フレーム部材２０１の開口部は、プレート部材２００とインターコネクタ５（１）とに挟まれた状態で空間５１ａを形成し、この空間５１ａに図２と同様の接続部材Ｊが配置される。プレート部材２００及びフレーム部材２０１は、いずれも図１４のターミナルプレート５１に比べ簡単な構造であるため、加工が容易となる。このように、図１４に示すターミナルプレート５１は１つの部材には限られず、複数の部材を用いて構成することが可能である。
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態では、Ｚ方向の一端のエンドプレート３の側の空間３ａのみに接続部材Ｊを配置した構造を示したが、Ｚ方向の両端のエンドプレート３、４の両方を対称的な構造とし、それぞれ接続部材Ｊを配置する構造を採用してもよい。また、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。
１…固体酸化物形燃料電池スタック
２…発電単位
３、４…エンドプレート
５…インターコネクタ
１０…空気極側集電体
１１…空気極側絶縁フレーム
１２…セパレータ
１３…燃料極側フレーム
１４…絶縁フレーム
１５、１００…燃料極側集電体
２０、６０ａ、６０ｂ、７０ａ、７０ｂ、８０、１０１…弾性部材
２１、６１、７１、８１，１０２…導電性部材
３０…燃料極層
３１…固体電解質層
３２…空気極層
４１…バネ部材
５０…絶縁プレート
５１…ターミナルプレート
Ｃ…単セル
Ｂ１〜Ｂ８…ボルト
Ｊ…接続部材
Ｈ…貫通孔
Ｎ…ナット

Claims (8)

  1. 燃料極層と、空気極層と、固体電解質層とを有する燃料電池単セルとインターコネクタとを複数個交互に配置し、燃料電池単セル同士の対向する方向の両端を１対の端部材により挟んだ構造を有する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
    前記１対の端部材のうち少なくとも一方の第１の端部材と第１のインターコネクタとの間に空間が形成され、
    前記空間に、弾性部材と導電性部材からなる接続部材が配置されており、
    前記燃料電池単セル同士の対向する方向において前記導電性部材の一部が前記第１の端部材と前記弾性部材との間に配置され他の部分が前記第１のインターコネクタと前記弾性部材との間に配置され、
    前記第１の端部材と前記第１のインターコネクタとは前記導電性部材を介して電気的に接続することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
  2. 前記接続部材の単位構造は、前記導電性部材の屈曲した板状部を含み、
    前記単位構造において、前記板状部の一端が前記第１の端部材と前記弾性部材の少なくとも一部との間に配置され、前記板状部の他端が前記第１のインターコネクタと前記弾性部材の少なくとも一部の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
  3. 前記接続部材の単位構造は、前記導電性部材の屈曲した板状部を含み、
    前記単位構造において、前記板状部の一端が前記第１の端部材と前記弾性部材の少なくとも一部との間に配置され、前記板状部の他端が前記第１のインターコネクタと前記接続部材の他の単位構造の前記弾性部材の少なくとも一部の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
  4. 前記弾性部材は絶縁材料を用いて形成され、前記導電性部材は金属材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
  5. 前記弾性部材は、マイカを用いて形成されることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
  6. 前記導電性部材は、ニッケルを主成分として形成されることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
  7. 前記空間には、還元ガスが充填されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
  8. 前記燃料電池単セルを挟んで前記第１のインターコネクタに対向する位置に第２のインターコネクタが配置され、
    前記燃料電池単セルと前記第２のインターコネクタとの間には第２の空間が形成され、前記第２の空間には、第２の弾性部材と第２の導電性部材とが配置され、前記第２の導電性部材の一部が前記燃料電池単セルと前記第２の弾性部材との間に配置され前記第２の導電性部材の他の部分が前記第２のインターコネクタと前記第２の弾性部材との間に配置されるように形成された集電体を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
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