JP4745622B2

JP4745622B2 - 集電部材、燃料電池セルスタック及び燃料電池

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Publication number: JP4745622B2
Application number: JP2004162587A
Authority: JP
Inventors: 健児島津
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2024-05-31
Also published as: JP2005346989A

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セルを電気的に接続するために用いられる集電部材、並びにその集電部材を含む燃料電池セルスタック及び燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形燃料電池(ＳＯＦＣ；Solid Oxide Fuel Cell)は、作動温度が８００〜１０００℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。

前記固体電解質形燃料電池の発電素子を「燃料電池セル」という。前記燃料電池セルは、単一若しくは複数のガス流路が軸長方向に貫通する燃料極に、固体電解質及び空気極を順次積層した構造となっている。前記固体電解質及び外側電極が形成されていない表面には、インターコネクタが形成されている。
この燃料電池セルを複数直列に接続して高い電圧を取り出すことができる。

燃料電池セルを直列に接続するには、１つの燃料電池セルのインターコネクタと、隣接する燃料電池セルの空気極とを電気的に接続する必要があり、この接続のため「集電部材」という電極が用いられる。
この集電部材は、燃料電池セルの形状に合わせた細長い形状を有し、燃料ガスマニホールドの上に並行に固定された複数の燃料電池セルの間に配置される。
特開2003-282101号公報

前記燃料電池セルにおいて、燃料ガス流路に燃料ガスを流すと、燃料ガス流路の入口付近では燃料ガスが豊富なため、大きな電流を取り出すことができ、燃料ガス流路の入口から遠ざかるにつれて燃料ガスが減少していき、小さな電流しか取り出すことができなくなる。
ところが、燃料ガス流路の入口付近で大きな電流が流れると、燃料電池セル及び集電部材において、燃料ガス流路の入口付近でジュール熱が過大に発生し、その発熱に伴い燃料電池セルの劣化が早くなる。特に燃料ガスの流量の少ないところでは、このような現象は顕著になる。

そこで、本発明は、燃料電池セルの燃料ガス流路の入口付近における電流の流れを抑え、燃料ガス流路の入口から離れるに従って電流の流れを促進させることにより、全体として電流の流れを均一にすることができる集電部材、並びにその集電部材を用いた燃料電池セルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の集電部材は、燃料ガス流路を内部に有し、一端側が燃料ガスの供給側とされ他端側が放出側とされ、燃料ガスの供給側から放出側へ延びた形状の導電性支持体上の一側面側の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極が順次積層され、前記内側電極、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない前記導電性支持体の前記一側面の反対側にある他側面の表面にインターコネクタが形成されてなるとともに、前記燃料電池セルの複数を電気的に接続するために用いられる集電部材であって、
隣接する燃料電池セル間に配置され、前記燃料ガスの供給側から放出側へ延びる板片に、前記燃料ガスの供給側から放出側へ延びる方向と直角な該板片の幅方向に沿った複数の切れ目を形成して得られる複数の集電片を前記板片の両側に交互に突出させた形状を有しており、前記複数の集電片は、隣接する一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と、隣接する他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとにそれぞれ当接されているとともに、該集電片の厚みが、前記燃料ガスの供給側から放出側に向けて増大するように形成されていることにより、前記燃料電池セルの長手方向に沿った単位長さあたりの抵抗が、前記燃料ガスの供給側から放出側に向けて減少するように形成されていることを特徴とする。

この構成であれば、燃料電池セルの長手方向に沿った単位長さあたりの抵抗が、燃料ガスの供給側から放出側に向けて減少するように形成されているので、燃料ガスの供給側の方が単位長さあたりの抵抗が大きく、燃料ガスの放出側の方が単位長さあたりの抵抗が小さい。セル間の電位差はどの場所でも一定であるので、電流は抵抗に反比例することになる。よって燃料ガスの供給側の電流が少なくなり、燃料ガスの放出側の方が電流が多くなる。
したがって、前述したような燃料ガスの供給側の方が燃料ガス量が豊富なため大きな電流が流れ、燃料ガスの放出側の方が燃料ガス量が少ないため小さな電流が流れるという現象を補完することができる。

すなわち本発明によれば、全体として、燃料ガスの供給側、放出側にかかわらず電流の流れを均一にする方向に機能させることができる。
このため、ジュール熱の発生量を燃料電池セルの下部から上部にかけてほぼ一定にできるので、集電部材や燃料電池セルの耐久性を増すことができ、燃料電池の寿命を長くすることができる。

また本発明の集電部材は、板片に複数の切れ目を形成して、隣接する一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と、隣接する他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタにそれぞれ当接させる集電片を両側に交互に突出させた形状であり、該集電片の厚みが、前記燃料ガスの供給側から放出側に向けて増大するように形成されている。

燃料ガスの供給側から放出側にかけて前記集電片の厚みを大きくすることにより、燃料ガスの放出側の方が抵抗を小さくすることができる。
本発明の燃料電池セルスタックは、複数の燃料電池セルから構成され、前記本発明の特徴を備えた集電部材が、隣接する燃料電池セルの間に配置されているものである。

本発明の燃料電池は、前記燃料電池セルスタックを、単独で又は複数集合して組み立てた発電ユニット集合体に、発電ユニット集合体で発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電電極を取り付けて、ハウジング内に収容してなるものである。
これらの燃料電池セルスタック及び燃料電池は、電流の流れが均一な集電部材を採用しているので、燃料電池セル内の不均一な発熱にともなう劣化を防止し、良好な耐久性を有する。

以下、本発明の集電部材、燃料電池セルスタック及び燃料電池の構造を添付図面を参照して詳述する。
図１は、燃料電池に使用される発電ユニット集合体１ａ〜１ｄを示す斜面図である。
発電ユニット集合体１ａ〜１ｄは、一方向（図１において紙面左右の方向）に細長く延びる直方体形状の燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄを具備している。

燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄの上壁には、複数の燃料電池セル３からなる燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄが装着されている。一枚の燃料電池セル３は、上下方向に細長く延びた板状をなしている。燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄは、このような燃料電池セル３を、燃料ガスマニホールドの一方向に沿って複数個縦列配置して構成されている。
燃料電池セル３の各々は、図２に断面を示すように、導電性支持体５の表面に、内側電極である燃料極６、固体電解質７、外側電極である空気極８を積層したものである。

導電性支持体５は、上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な表裏両面と断面半円形状の両側面とを有する。導電性支持体５にはこれを上下方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路１２が形成されている。
前記燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄの上壁には短手方向に延びる複数個のスリットが形成されており、導電性支持体５の各々に形成されている燃料ガス通路１２がスリットを介して燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄの燃料ガス室に連通している。

前記導電性支持体５の各々は、燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄの上壁に、耐熱性に優れたセラミック接着剤などによって接合される。
図２に示すように、燃料極６は導電性支持体５の片面及び両側面を覆う部分に配設されており、その両端はインターコネクタ１０に接合している。固体電解質７は燃料極６の全体を覆うように配設されている。空気極８は、導電性支持体５の表面において固体電解質７を覆うよう配置されている。

隣接する燃料電池セル３同士の間には、１つの燃料電池セルの空気極８と他の燃料電池セルのインターコネクタ１０とを電気的に接続するための集電部材９が配設されている。
この集電部材９は、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄの両端、すなわち図２において上端及び下端に位置する燃料電池セル３の片面及び他面にも配設されている。燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄの両端に位置する集電部材９には、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄから発電電気を取り出すための導電部材１１が接続されており、かかる導電部材により、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄは相互に直列接続される。

燃料電池セル３は、導電性支持体５、燃料極６及び／又は固体電解質７と同時焼成により製造される。
導電性支持体５は燃料ガスを燃料極６まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ１０を介して集電するために導電性であることが要求される。かかる要求を満足するために多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）が用いられる。

導電性支持体５は、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから形成することが好ましい。所要のガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５から５０％の範囲にあるのが好適であり、また、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
燃料極６は、多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ₂（安定化ジルコニアと称される）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質７は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ₂から形成されている。
空気極８は所謂ＡＢＯ₃型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックにより形成することができる。空気極８はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１０は導電性セラミックから形成することができるが、水素を含む燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ₃系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１０は、導電性支持体５に形成された燃料ガス通路１２を通る燃料ガス及び導電性支持体５の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。

集電部材９は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｃｒ鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。この集電部材９とインターコネクタ１０、集電部材９と空気極８の接続部に、ＡｇやＰｔ等の貴金属やＮｉ等の金属、あるいは導電性を有するセラミックを含有するペーストを導電性接着剤として用いて、接続信頼性を向上させることもできる。

前記燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄを複数集合して、発電ユニット集合体１ａ〜１ｄを組み立てる。この発電ユニット集合体１ａ〜１ｄに、発電ユニット集合体１ａ〜１ｄで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電電極（図示せず）を取り付けて、ハウジング内に収容して、燃料電池を製作することができる。
図３は、発電ユニット集合体１ａ〜１ｄをハウジング内に収容した状態を示す側断面図である。断面は、図２のＢーＢで切っている。

図３を参照して説明すると、燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング２０を具備している。このハウジング２０の壁面には適宜の断熱材料から形成された断熱壁、すなわち上断熱壁２１、下断熱壁２２、右側断熱壁２３、左側断熱壁２４、前断熱壁（図示せず）及び後断熱壁（図示せず）が配設されている。
このハウジング２０内には発電・燃焼室２５が規定されている。

前断熱壁及び／又は後断熱壁は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室２５内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板などの外壁を配設することができる。
ハウジング２０内の比較的上部には空気室（ガス室）３１が配設されている。空気室３１は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース３２内に規定されている。

ハウジング２０には、空気供給管５４が設けられており、この空気供給管５４は、上断熱壁２１を貫通し、外部から室温程度の空気を後述する熱交換器３４に取り込むようになっている。
空気室３１の下面には、発電・燃焼室２５に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）３３が連通している。空気導入管３３は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。空気導入管３３は燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄ間に配置されており、その下端部は燃料電池セル３の比較的下部まで伸びて開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管３３はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。

ハウジング２０の両側部、更に詳しくは右側断熱壁２３の内側及び左側断熱壁２４の内側には、全体として平板形状である熱交換器３４が配設されている。熱交換器３４の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態の熱交換室３６から構成されている。かかる熱交換室３６の内側壁の上端部には燃料ガスの排出開口４２が形成されている。熱交換室３６の上壁における外側部には空気室３１に連通している空気流出開口４８が形成されている。熱交換室３６の内部は、排出開口４２に連通する燃料ガス排出路及び空気流出開口４８に連通する空気導入路が複数の仕切り壁によってジグザグ形態に区画されている。

熱交換器３４の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体５０（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体５０は外側筒部材５２と内側筒部材５４とから構成されている。外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている燃料ガス排出路の下端部は、熱交換室３６の下部に連通されており、内側筒部材５４内に規定されている空気供給路は、熱交換室３６の下端部に連通されている。内側筒部材５４内に規定されている空気供給路から入った空気は、熱交換室３６を空気導入路を通ってジグザグに上昇していき、流出開口４８を介して空気室３１に入る。一方、燃料ガスの排出開口４２から入った燃料ガスは、熱交換室３６の燃料ガス排出路をジグザグに下降していき、外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている燃料ガス排出路から放出される。このように、空気と燃料ガスとの混合を防ぎながら、空気が暖められ、燃料ガスが冷やされ、両ガスの熱交換が行われる。

上述した発電・燃焼室２５の下部には４個の発電ユニット１ａ〜１ｄが配置されている。発電ユニット１ａ〜１ｄは、夫々、上述した空気導入管３３の間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット１ａ〜１ｄ間に、空気導入管３３が配設されている。
一方、発電ユニット１ａ〜１ｄの上部には、改質ケース１３ａ〜１３ｄが設けられている。改質ケース１３ａ〜１３ｄは、図１に示すように、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄの上方を細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）の管である。

改質ケース１３ａの後面（「前面」「後面」の定義は図１に示す）には、被改質ガス供給管８２ａの一端が接続されている。被改質ガス供給管８２ａは改質ケースから下方に延び、ハウジング２０の下を通ってハウジング２０の外に延出している。
被改質ガス供給管８２ａは都市ガス等の炭化水素ガスなどの被改質ガス供給源（図示していない）に接続されており、被改質ガス供給管８２ａを介して改質ケース１３ａに被改質ガスが供給される。改質ケース１３ａ内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。

改質ケース１３ａの前面には燃料ガス送給管８０ａの上端が接続されている。燃料ガス送給管８０ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管８０ａの他端は上記燃料ガスマニホールド２ａの前面に接続されている。
被改質ガス供給管、燃料ガス送給管の配置に関しては、発電ユニット１ｃは上述した発電ユニット１ａと実質上同一であり、発電ユニット１ｂ及び１ｄは、発電ユニット１ａ及び１ｃに対して前後方向が逆に配置されているところが異なっている。すなわち、改質ケース１３ｂ及び１３ｄと燃料ガスマニホールド２ｂ及び２ｄとを接続する燃料ガス送給管（図示していない）が後側に配置され、被改質ガス供給管８２ｂ及び８２ｄが改質ケースから下方に延び、ハウジング２０の下を通ってハウジング２０外に延出している。

上述した発電ユニット集合体１ａ〜１ｄにおいて、被改質ガスが被改質ガス供給管８２ａ、８２ｂ、８２ｃ、８２ｄを介して改質ケース１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄに供給され、改質ケース１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄ内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄを通して燃料ガスマニホールド２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄ内に規定されている燃料ガス室に供給され、
次いで燃料電池セルスタック４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄを構成する各燃料電池セル３に供給される。

燃料電池セル３においては、空気極において、
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ^2-（固体電解質）＋Ｈ₂→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-
の電極反応が生成されて、発電される。

発電に使用されないで燃料電池セル３から上方に流動した燃料ガス及び空気は、点火手段（図示していない）によって点火され、発電・燃焼室２５内で燃焼される。燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄにおける発電で発生するジュール熱に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室２５内は、例えば１０００℃程度の高温になる。改質ケース１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及び１３ｄは、発電・燃焼室２５内の比較的上方、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄの直ぐ上方に位置されており、前記燃料ガスと空気との燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室２５内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室２５内に生成された燃料ガスは、前述したように、熱交換器３４に形成されている排出開口４２から排出路３０に流入し、ジグザグ状に延在する熱交換室３６を流動した後に二重筒体５０の外側筒部材５２と内側筒部材５４との間に規定されている排出路を通して排出される。
そしてまた、燃料ガスが熱交換器３４の排出路３０をジグザグ状に流動せしめられる際には、二重筒体５０から導入された空気が熱交換器３４の流入路をジグザグ状に流動せしめられる。かくして燃料ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

この予熱された空気は、流出開口４８を通過して、空気室３１に一旦貯留され、空気導入管３３を通って燃焼・発電室２５の燃料電池セルスタック間に供給される。この際、空気導入管３３は燃料電池セルスタック６０の燃料電池セル３の上端で燃焼する燃料ガス雰囲気中を通過する際に加熱され、さらに高温に暖められ、燃焼・発電室２５内に供給される。

図４は、セル間接続構造を説明するための断面図である。
燃料電池セル３の表裏面には、隣接する燃料電池セル３との電気的接続を図るための前述した集電部材９が配置されている。この集電部材９は、一方の燃料電池セルの空気極８と、他方の燃料電池セルのインターコネクタ１０とを接続する電極である。インターコネクタ１０は、図４に示すように、燃料極３に接続しているので、これにより、一方の燃料電池セルの空気極８と、他方の燃料電池セルの燃料極３とが接続されることになる。すなわち、一方の燃料電池セルの正極と他方の燃料電池セルの負極とが接続された形になり、燃料電池セルスタックを構成するすべての燃料電池セルが直列に接続され、高電圧が取り出せる。

図５は、集電部材９の形状の一例を示す斜視図である。集電部材９は、板片に複数の切れ目をほぼ平行に形成して集電片９２を作り、集電片９２を両側に交互に突出させている。この集電片９２は、対向する燃料電池セルの外面にそれぞれ当接されるものである。
集電部材９は、弾力性を有する集電片９２を１本ずつ、交互に反対方向に折り曲げた形状をしている。さらに詳しく言えば、集電部材９は、バックボーンとなる１本のまっすぐに伸びた背板部９１と、この背板部９１から互いに異なる２方向に交互に分岐する集電片９２とからなる。図５に示すように、一方側に折り曲げられた集電片９２の幅をｗ１、他方側に折り曲げられた集電片９２の幅をｗ２とする。通常、ｗ１＝ｗ２である。

前記集電片９２は、折り曲げられて燃料電池セル３の空気極８と、燃料電池セル３のインターコネクタ１０とに面接触する。集電部材９の弾力が強いので、集電部材９は、対向する燃料電池セル３に接触しているだけでも、自重で落下することはない。
また、集電部材９は、集電片９２を１本ずつ、交互に反対方向に折り曲げた形状をしているので、図４のように一方の燃料電池セルの空気極８と、他方の燃料電池セルのインターコネクタ１０との間に挟まれた状態で、隣接する櫛歯同士の間には、空気の通る隙間が出来る。この隙間が、空気導入管３３を通して発電・燃焼室２５内に入った空気の流通性を高め、空気極８に多量の空気を供給する。

ところで、燃料電池セル３には、図３を用いて説明したように、燃料電池セル３の下端に位置する燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄから燃料電池セル３内に燃料ガスが供給され、燃料電池セル３の比較的下方に位置する空気導入管３３の下端開口部から空気が供給される。燃料ガスと空気とは、反応しながら上方に昇っていくので、燃料電池セル３の比較的下部では、燃料ガス、空気ともに豊富な環境であり、発電能力は高い。燃料電池セル３の比較的上部では、燃料ガス、空気ともに乏しい環境になり、発電能力は低くなる。

そこで、本発明では、集電部材９の、燃料電池セル３の上下方向に沿った抵抗値の分布を調節することとして、全体として見れば、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄを流れる電流分布を上から下まで均一にするようにした。
まず座標の定義をする。図４に示すように、燃料ガスマニホールド２ａ〜２ｄに設置された燃料電池セル３の上方向を＋ｚ、燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄを縦断して電流が流れる方向を＋ｘ、それらに直角な方向をｙとする。燃料電池セル３の発電素子部の存在範囲をｚ＝ｚ１からｚ＝ｚ２とする。

燃料電池セル３の間に集電部材９を配置した場合、集電部材９と座標系との関係は、図５に示すように、背板部９１の伸びる方向がｚとなる。電流の流れる方向ｘは、集電片９２によって形成される面（ｙ−ｚ面）にほぼ直角な方向になる。
セル間を方向ｘに流れる電流値をＩとする。燃料電池セル３の発電作用により燃料電池セル３同士の間には電圧Ｖが生じる。その電圧Ｖを電流値Ｉで割れば、集電部材９の抵抗値Ｒが求まる。

いま、方向ｘに流れる電流Ｉに基づいて、方向ｚの単位長さあたりの電流密度ｊ(z)を規定する。単位長さあたりの電流密度ｊ(z)を、燃料電池セル３の発電素子部の長さｚ１からｚ２にわたってｚ方向に積分したものが、電流値Ｉとなる。
前記電圧Ｖを単位長さあたりの電流密度ｊ(z)で割った、単位長さあたりの抵抗をｒ(z)と書く。すなわち、
ｒ(z)＝Ｖ／ｊ(z)
である。

本発明では、単位長さあたりの抵抗ｒ(z)が、ｚがｚ１から離れｚ２に近づくに連れて、小さくなるように設定している。
これにより、燃料電池セル３の燃料ガス供給部に近い部分では単位長さあたりの抵抗ｒ(z)を大きくして電流の流れを抑え、燃料電池セルの燃料ガス供給部から遠い部分では単位長さあたりの抵抗ｒ(z)を小さくして電流の流れを促進することにより、燃料電池セル全体として、電流の流れを均一にする。

図６は、ｚがｚ１から離れｚ２に近づくに連れて、抵抗ｒ(z)を徐々に小さくするための集電部材９の形状を示す図である。図６（ａ）は集電部材９の平面図、図６（ｂ）は側面図を示す。
同図に示すように、分岐した一方側集電片９２と同一方向の両隣の集電片９２との間には隙間Ｓが生じているが、この隙間を形成することで抵抗を変化させることができる。

集電片９２の幅ｗ１，ｗ２は、図６（ｂ）に示すように、燃料電池セルの下部から燃料電池セルの上部に至るまで、徐々に大きくしている。ｚ＝ｚ１からｚ＝ｚ２までの領域を３ブロックに等分した場合、最も下のブロックでは、集電片９２の数を片側あたり６枚とし、中央のブロックでは、集電片９２の数を片側あたり５枚とし、最も上のブロックでは、集電片９２の数を片側あたり４枚としている。隙間Ｓは一定であるから、これにより、燃料電池セルに当接する片側の集電片９２の接触面積比は、最も下のブロックでは３８％、中央のブロックでは４０％、最も上のブロックでは４２％と変化させることができる。

このように集電片９２の接触面積比を、燃料電池セルの下部から上部になるに従って大きくすることにより、単位長さあたりの抵抗ｒ(z)を、燃料電池セルの下部から上部になるに従って小さくすることができる。燃料電池セルの下部の方が発電能力が大きく、燃料電池セルの上部の方が発電能力が小さいということを考慮すると、単位長さあたりの電流密度ｊ(z)を、燃料電池セルの下部から上部にかけてほぼ一定にすることができる。

このことにより、次の効果が得られる。従来のように燃料電池セルの下部から上部にかけて単位長さあたりの抵抗ｒ(z)が一定であれば、燃料電池セルの下部のほうが電流密度ｊ(z)が大きく、燃料電池セルの上部のほうが電流密度ｊ(z)が小さくなり、燃料電池セルの下部での電流密度ｊ(z)が増大する。これにより、燃料電池セルの下部でのジュール熱の発生量が増大して、発熱が片寄って、集電部材９や燃料電池セル３の耐久性が低下し、燃料電池の寿命が短くなる。

本発明の構成では、燃料電池セル３の下部から上部にかけて単位長さあたりの抵抗ｒ(z)を変化させたので、燃料電池セルの下部から上部にかけて電流密度ｊ(z)を一定にできる。これにより、ジュール熱の発生量を燃料電池セルの下部から上部にかけて一定にできるので、集電部材９や燃料電池セルの耐久性を増すことができ、燃料電池の寿命を長くすることができる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、集電部材９の形状は、図６に示したものに限定されない。図６では、集電片９２の幅ｗ１，ｗ２を燃料電池セルの下部から上部の３ブロックに分けて段階的に広くしていったが、幅ｗ１，ｗ２を燃料電池セルの下部から上部の領域に分けて連続的に広くしていってもよい。また、図７に示すように、集電部材を分割構成し、燃料電池セルの下部に設置する集電部材９′の板厚Ｄを薄く（図７（ｂ））、燃料電池セルの上部に設置する集電部材９″の板厚Ｄを厚くする（図７（ａ））という構成も採用できる。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

燃料電池に使用される発電ユニット集合体１ａ〜１ｄを示す斜面図である。燃料電池セルスタック４ａ〜４ｄを示す図１のＡーＡ断面図である。発電ユニット集合体１ａ〜１ｄをハウジング２０内に収容した状態を示す図２のＢーＢ断面図である。集電部材９を使ってセル間を接続した構造を説明するための図２のＣーＣ断面図である。集電部材９の形状の一例を示す斜視図である。本発明の特徴を備えた集電部材９の形状を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。本発明の特徴を備えた集電部材９の他の形状を示す平面図である。

符号の説明

１ａ〜１ｄ発電ユニット集合体
２ａ〜２ｄ燃料ガスマニホールド
３燃料電池セル
４ａ〜４ｄ燃料電池セルスタック
５導電性支持体
６燃料極
７固体電解質
８空気極
９，９′，９″ 集電部材
１０インターコネクタ
９１背板部
９２集電片

Claims

複数の燃料電池セルを電気的に接続するために用いられる集電部材であって、
前記各燃料電池セルは、燃料ガス流路を内部に有し、一端側が燃料ガスの供給側とされ他端側が放出側とされ、燃料ガスの供給側から放出側へ延びた形状の導電性支持体上の一側面側の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極が順次積層され、前記内側電極、前記固体電解質及び前記外側電極が形成されていない前記導電性支持体の前記一側面の反対側にある他側面の表面にインターコネクタが形成されてなるものであり、
隣接する燃料電池セル間に配置され、前記燃料ガスの供給側から放出側へ延びる板片に、前記燃料ガスの供給側から放出側へ延びる方向と直角な該板片の幅方向に沿った複数の切れ目を形成して得られる複数の集電片を前記板片の両側に交互に突出させた形状を有しており、前記複数の集電片は、隣接する一方の前記燃料電池セルの前記外側電極と、隣接する他方の前記燃料電池セルの前記インターコネクタとにそれぞれ当接されているとともに、該集電片の厚みが、前記燃料ガスの供給側から放出側に向けて増大するように形成されていることにより、前記燃料電池セルの長手方向に沿った単位長さあたりの抵抗が、前記燃料ガスの供給側から放出側に向けて減少するように形成されていることを特徴とする集電部材。
複数の燃料電池セルと、隣接する該燃料電池セル間に配置され、隣接する一方の前記燃料電池セルの外側電極と、隣接する他方の前記燃料電池セルのインターコネクタとを接続する請求項１に記載の集電部材とを備えることを特徴とする燃料電池セルスタック。
請求項２に記載の燃料電池セルスタックを、単独で又は複数集合して組み立てた発電ユニット集合体に、該発電ユニット集合体で発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材を取り付けて、ハウジング内に収容してなることを特徴とする燃料電池。