JP5083644B2

JP5083644B2 - スタック構造体及び燃料電池

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Publication number: JP5083644B2
Application number: JP2006237098A
Authority: JP
Inventors: 重夫井深; 靖志中島; 寛和小松; 竜也矢口; 健児小原; 総一藤原; 和典藤井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: JP2008059957A

Description

本発明は、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを積層して形成したスタック構造体及びこのスタック構造体をケースに収容して成る燃料電池に関するものである。

従来、上記したようなスタック構造体としては、例えば、単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセパレータ板との各外周縁部同士を接合して固体電解質型燃料電池ユニットを形成し、この固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成るスタック構造体がある。
特開２００４−２０７０２８

ところが、上記したスタック構造体において、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの中心部のみに荷重をかけて固定するようにしている都合上、固体電解質型燃料電池ユニット間に配置される集電体と固体電解質型燃料電池ユニットの単セルとの接触を確実なものとするべく集電体をばね状とした場合には、固体電解質型燃料電池ユニットを積層する際に集電体を押し付けながら接着作業を行わなくてはならないことから、接着部からのガスリークが生じる恐れがあり、その結果、スタック構造体の作製歩留りが良いとは言えないという問題があった。

また、集電体と固体電解質型燃料電池ユニットの単セルとの接触を確実なものとするべくろう材を単セルの電極に塗布した場合には、両者を接着することはできるものの、高温下において真空ないし減圧処理を施す必要があり、単セルの性能低下を招いてしまう可能性があるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、単セルの性能低下を阻止することができるのは言うまでもなく、作製歩留りの向上を実現することが可能であるスタック構造体及び燃料電池を提供することを目的としている。

本発明のスタック構造は、単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成り、固体電解質型燃料電池ユニット間の集電体に対して固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向の力を付与することで該集電体をセル板の単セルに押し付け可能とし、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔と各中心部の間隔とを変えるべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させ、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に圧接可能な楔形に集電体を形成してある構成としたことを特徴としており、このスタック構造の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明のスタック構造において、集電体に固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向の力を付与するだけで、この集電体をセル板の単セルに押し付け得るので、従来のように、ばね状の集電体を用いなくても、集電体と単セルとを確実に接触させ得ることとなる。

つまり、固体電解質型燃料電池ユニットを積層してスタック構造体を組立てた後の工程として、固体電解質型燃料電池ユニット間に配置する集電体にその積層方向と直交する方向の力を付与する作業を行えば、集電体と単セルとを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間からのガスリークの懸念が払拭されることとなって、すなわち、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット間の密着性が高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなり、この際、集電体と単セルとをろう材で接着する必要もないので、単セルの性能低下を招くことも回避されることとなる。

本発明によれば、上記した構成としているので、単セルの性能低下を阻止することができるのは勿論のこと、スタック構造体作製歩留りの向上及び出力の向上をいずれも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明のスタック構造体において、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔と各中心部の間隔とを変えるべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させ、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に圧接可能な楔形に集電体を形成してある構成とすることができる。

具体的には、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔を漸次小さくするべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させた構成や、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔を漸次大きくするべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させた構成を採用することができる。

隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔を漸次小さくするように成すと、固体電解質型燃料電池ユニットの中心側が広くなって、中心部分のガスの導入孔に対する単セルの投影面積が広くなることから、単セルの電極に対して多量のガスがスムーズに供給されることとなり、この場合、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させているので、固体電解質型燃料電池ユニットの強度が向上することとなる。

一方、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔を漸次大きくするように成すと、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット間に配置した集電体を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に引張ることで、集電体の単セルに対する密着性を向上させ得ることとなり、固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部側が広くなる分だけ、固体電解質型燃料電池ユニット内への整流部品などの搬入が容易になる。なお、セパレータ板にプレスによる段差などが形成されている場合には、セパレータ板の主たる面又は中心と外周縁とを結んだ面を傾斜させる面とする。

また、本発明のスタック構造体において、集電体は、通気性を有する導電性材料、例えば、多孔質金属や、発泡金属や、金属繊維体の織物又は不織布や、通気孔を有する金属板又はプレス板から成っている構成とすることができ、この場合には、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット間の通気性を確保しつつ、集電体が広い接触面積で単セルの電極に接触し得ることとなる。

多孔質金属としては、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ系の（ＳＵＳ３１６Ｌ，３１０Ｓ，４３０，４４４）やＮｉ−Ｃｒ系の（インコネル６００，７１８，７５０）などの耐熱合金の焼結体を採用することができ、発泡金属としては、ＡｇやＰｔを採用することができる。また、金属繊維体としては、上記した耐熱合金をワイヤ状にしてメリアス編みにしたものやフェルト状に加工したものを使用することができる。さらに、通気孔を有する金属板やプレス板に関しても、上記した耐熱合金を使用可能であるが、組立て後において、固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向の力が付与されてセル板の単セルに押し付けられるので、ばね性を有していることは必要条件ではない。

ここで、固体酸化物型燃料電池などの高温動作型の燃料電池の場合は、上記集電体に耐熱コーティングを施すことが望ましく、加えて、集電体が単セルの電極以外の部分に接するとショートを引き起こす可能性があるため、集電体が接する単セルの電極以外のユニット部位を絶縁コートすることが望ましい。

なお、上記した材料は、６００℃以上の動作温度の固体酸化物型燃料電池を想定して記述しているが、動作温度の低いプロトン導電性の単セルを使用する場合には、上記した材料よりも耐熱性の低い材料を用いることができ、単セルの動作温度に合わせて金属材料を選定する必要がある。

さらに、本発明のスタック構造体において、集電体は、通気性を有する導電性材料から成る集電体本体と、通気性を有し且つ集電体本体を隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に圧接させるスペーサを具備している構成とすることができ、この場合には、金属部品が減る分だけ、コストの低減が図られることとなる。

このように、集電体として機能する集電体本体と、押し付け部材として機能するスペーサとから集電体を構成する場合、集電体として機能する集電体本体には、例えば、Ｐｔのメッシュや薄い耐熱合金の織物や耐熱合金をフェルト状に加工したものを使用することができ、一方、押し付け部材として機能するスペーサには、導電性が要求されないので、上記した耐熱合金だけでなく、ポーラスアルミナなどの多孔質セラミックや、通気孔を有するセラミックも使用することができる。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、集電体に固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向の力を付与して、該集電体の隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に対する圧接状態を維持する押圧保持手段を設けた構成とすることが可能である。

具体的には、押圧保持手段を、固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部に沿って配置したリング部材とした構成や、押圧保持手段を、固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部に装着された止め具とした構成を採用することができ、押圧保持手段をリング部材とする場合には、集電体の単セルに対する密着性をより一層向上させ得ることとなり、押圧保持手段を止め具とるする場合には、スタック構造体の組立て後において、集電体の部分的な押し付けを追加して行い得ることとなる。

押圧保持手段としてのリング部材は、複数個に分割して成るものとしてもよく、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に対する集電体の圧接状態を調整し得るように、全体の長さ調整を可能とすることが望ましい。そして、このリング部材は、固体電解質型燃料電池ユニット間のそれぞれに対して互いに独立して配置することが望ましく、この場合には、固体電解質型燃料電池ユニット間のそれぞれに対して荷重をかけ得ることとなって、効率的な出力向上が図られると共に、破損を阻止し得ることとなる。

上記したリング部材には絶縁体を用いることができるほか、金属も用いることができる。リング部材を金属とする場合には、上記した集電体に用いる通気性を有する導電性材料を利用することができるが、この際、固体電解質型燃料電池ユニット間における短絡を回避するために、リング部材全体や、リング部材及び固体電解質型燃料電池ユニットの要部を絶縁コートで被覆する必要がある。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、スタック構造体を収容するケースの内壁に形成した突起条を押圧保持手段として機能させることが可能であるほか、複数の固体電解質型燃料電池ユニットに対して燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを供給するべくケース内に配置したガス供給管を押圧保持手段として機能させることが可能である。

押圧保持手段としての止め具は、固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部に沿う連続体である必要はなく、この外周縁部に対する装着には、スポット溶接やレーザー溶接を用いることができるほか、止め具がクリップ形状を成している場合には、そのばね性を利用して装着するようにしてもよい。

上記した止め具にも絶縁体を用いることができるほか、金属も用いることができ、止め具を金属とする場合には、リング部材と同じく、固体電解質型燃料電池ユニット間における短絡を回避するために、止め具全体や、止め具及び固体電解質型燃料電池ユニットの要部を絶縁コートで被覆する必要がある。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、固体電解質型燃料電池ユニットのセパレータ板を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に沿わせた構成としたり、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に沿わせた構成としたり、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板をいずれも固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させた構成とすることができる。

固体電解質型燃料電池ユニットのセパレータ板を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に沿わせると、傾斜する単セルの中心部分のガスの導入孔に対する投影面積が広くなることから、単セルの電極に対して多量のガスがスムーズに供給されることとなる。一方、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に沿わせると、大型のドーナツ状単セルを用い得ることとなり、すなわち、単セルの形状の自由度が広がり、単セルを搭載する板の加工難易度も低くなる。

そして、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板をいずれも固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させると、固体電解質型燃料電池ユニットが円形である場合には、セル板及びセパレータ板がいずれも円錐状となるので、固体電解質型燃料電池ユニットの強度が向上することとなる。なお、上記した固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板には、その中心部や外周縁部に必要に応じて段差を形成することができる。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板をＦｅ基又はＮｉ基の合金材料から成る薄板で形成した構成とすることが可能であり、セル板及びセパレータ板用の薄板としては、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ系の（ＳＵＳ３１６Ｌ，３１０Ｓ，４３０，４４４）やＮｉ−Ｃｒ系の（インコネル６００，７１８，７５０）などの耐熱合金を採用することができる。

これらの材料は、６００℃以上の動作温度の固体酸化物型燃料電池を想定して記述しているが、動作温度の低いプロトン導電性の単セルを使用する場合には、上記した材料よりも耐熱性の低い材料を用いることができ、単セルの動作温度に合わせて金属材料を選定する必要がある。この際、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともセル板に関して、搭載する単セルと同程度の熱膨張係数を有する材料を用いると、耐熱衝撃性の向上が図られることとなる。

さらにまた、本発明のスタック構造体において、固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの取付位置をセル板の中心部と外周縁部との間の領域に設定し、この領域内に単セルを１つ以上固定することができる。

例えば、固体電解質型燃料電池ユニットが円形状を成し且つ単セルが小径の円形状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。また、単セルがドーナツ状を成す場合は、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、上記内側リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよく、このフレームに扇形の単セルを貼り付けることも可能である。

そして、ガス導入部及びガス排出部を具備したケースに、上記したスタック構造体を収容することで、本発明の燃料電池を得ることができ、この燃料電池では、燃料ガス及び空気のうちの一方のガスをスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット内に導入し、ケースのガス導入部から導入した燃料ガス及び空気のうちの他方のガスが固体電解質型燃料電池ユニット間を通過するように成すことで、効率の良い発電が成されることとなる。

なお、本発明のスタック構造体及び燃料電池において、スタック構造体を形成する固体電解質型燃料電池ユニットの平面形状及びスタック構造体を収容するケースの間口形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、四角形状や多角形状や雲形状を成していてもよい。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１〜図３は、本発明のスタック構造体の一実施例を示しており、図１に示すように、このスタック構造体１１は、集電体１５を介して複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層して成っている。

このスタック構造体１１を構成する固体電解質型燃料電池ユニット１は、図２（ａ）にも示すように、薄板を円錐状に形成して成っていると共に中心部分にガス導入孔２１及びガス排出孔２２を有する金属製セル板２と、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔３１及びガス排出孔３２を有する金属製セパレータ板３を備えている。これらのセル板２及びセパレータ板３は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあり、セル板２及びセパレータ板３間に形成される空間には、内側集電体４が収容してある。

セル板２の中心部分と外周縁部との間の円錐面領域には、図２（ｂ）にも示すように、円形状を成す単セル６が複数個固定してあり、これらの単セル６は、電解質支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。

また、セル板２及びセパレータ板３の各中心部分間には、ガス導入孔２１，３１と連通して上記空間に燃料ガスを供給するガス導入流路５１と、ガス排出孔２２，３２と連通して上記空間から燃料ガスを排出するガス排出流路５２を具備した流路部品５が収容してあり、この流路部品５はユニット積層方向に二分割されていて、後述するように、固体電解質型燃料電池ユニット１を積層してスタック構造体１１を形成した状態において、スタック構造体１１全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。

この場合、上記したように、セル板２を円錐状に形成することで、すなわち、セル板２を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１の各外周縁部の間隔が各中心部の間隔よりも大きくなるようにしており、これに伴って、図３に示すように、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に介在させる集電体１５を断面が楔形を成すすり鉢状に形成してある。

つまり、セル板２を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させると共に、集電体１５を断面が楔形を成すすり鉢状に形成することによって、集電体１５に対して固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向の力を付与することで、この集電体１５をセル板２の単セル６に押し付けることができるようにしてある。この際、すり鉢状の集電体１５の中央部分にスリット１５ａを設けることによって、ユニット積層方向と直交する方向の力が付与された時点における集電体１５の変形を許容するようにしている。

この実施例において、セル板２及びセパレータ板３には、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びＳＫＤ１１から成る金型を装備したプレス装置にセットして、８０トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られた円錐状のセル板２及び円形状のセパレータ板３の各外径は１２０ｍｍであり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部同士を接合して、厚さ１．５ｍｍの固体電解質型燃料電池ユニット１とした。

また、セル板２及びセパレータ板３間の空間に収容する内側集電体４には、インコネル製金属メッシュから成るものを用い、セル板２及びセパレータ板３に対してその周縁部をレーザ溶接により接合した。一方、外側の集電体１５にもインコネル製金属メッシュから成るものを用い、断面が楔形を成すすり鉢状に形成して、固体電解質型燃料電池ユニット１の積層時にユニット１，１間に介在させるようにした。

さらに、流路部品５にもＳＵＳ４３０を用い、セル板２及びセパレータ板３に対しては、接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板２及びセパレータ板３が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品５の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。

この実施例に係るスタック構造体１１は、上記集電体１５を介して固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層して成っていて、セル板２及びセパレータ板３の各ガス排出孔２２，３２に挿通した図示しない複数本のスタッドボルトを介して、互いに積層した固体電解質型燃料電池ユニット１同士を締結するようにしている。

そして、このスタック構造体１１をガス導入部１２ａ及びガス排出部１２ｂを有するケース１２内に収容することで、燃料電池１０を構成するようにしており、この燃料電池１０では、ガス導入部１２ａから導入した空気をスタック構造体１１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１の間の集電体１５を通してガス排出部１２ｂに流すことで発電するようになっている。

上記したスタック構造体１１では、セル板２を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させると共に、集電体１５を断面が楔形を成すすり鉢状に形成しているので、この集電体１５に固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向の力を付与するだけで、この集電体１５をセル板２の単セル６に押し付け得ることとなる。

つまり、固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層してスタック構造体１１を組立てた後において、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に配置する集電体１５にその積層方向と直交する方向の力を付与する作業を行えば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性が高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなり、この際、集電体１５と単セル６とをろう材で接着する必要もないので、単セル６の性能低下を招くことも回避されることとなる。

また、上記したスタック構造体１１では、セル板２を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１，１の各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔が漸次小さくなるようにしているので、固体電解質型燃料電池ユニット１の中心側空間が広くなって、中心部分のガスの導入孔２１，３１に対する単セル６の投影面積が広くなることから、単セル６の電極に対して多量のガスがスムーズに供給されることとなり、この場合、セル板２を傾斜させているので、固体電解質型燃料電池ユニット１の強度が向上することとなる。

上記した実施例では、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に配置する集電体１５を断面が楔形を成すすり鉢状に形成した場合を示したが、図４に示すように、集電体１５を断面が楔形を成すブロック状に形成して、セル板２の単セル６に合わせて配置するように成すことも可能である。

また、上記した実施例のスタック構造体１１の固体電解質型燃料電池１では、セル板２が円錐状を成し、且つ、セパレータ板３が円形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図５（ａ）示すように、セパレータ板３が円形凸状段差部３３を有する形状を成していてもよいほか、図５（ｂ）示すように、単セル６を取り付けるセル板２が環状段差部２４を有する形状を成していてもよい。

［実施例２］
図６は、本発明のスタック構造体の他の実施例を示しており、図６に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、セパレータ板３を円錐状に形成することで、すなわち、セパレータ板３を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１の各外周縁部の間隔が各中心部の間隔よりも大きくなるようにし、これに伴って、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に介在させる集電体１５を断面が楔形を成すすり鉢状に形成した点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

この実施例のスタック構造体１１では、先の実施例のスタック構造体１１と同様に、固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層してスタック構造体１１を組立てた後において、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に配置する集電体１５にその積層方向と直交する方向の力を付与する作業を行えば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性が高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなり、この際、集電体１５と単セル６とをろう材で接着する必要もないので、単セル６の性能低下を招くことも回避されることとなる。

また、このタック構造体１１では、固体電解質型燃料電池ユニット１のセル板２を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に沿わせているので、後述するように、大型のドーナツ状単セル６Ａを用い得ることとなり、すなわち、単セルの形状の自由度が広がり、単セルを搭載する板の加工難易度も低くなる。

［実施例３］
図７は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図７に部分的に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、セル板２及びセパレータ板３をいずれも円錐状に形成することで、すなわち、セル板２及びセパレータ板３を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対してそれぞれ傾斜させることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１の各外周縁部の間隔が各中心部の間隔よりも大きくなるようにした点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

この実施例のスタック構造体１１においても、その組立て後において、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に配置する集電体１５（図７では省略）にその積層方向と直交する方向の力を付与する作業を行えば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性が高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなる。

また、このタック構造体１１では、固体電解質型燃料電池ユニット１のセル板２及びセパレータ板３をいずれも固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させているので、すなわち、セル板２及びセパレータ板３がいずれも円錐状となるので、固体電解質型燃料電池ユニット１の強度が向上することとなる。

［実施例４］
図８は、本発明のさらに他の実施例によるスタック構造体に採用する集電体を示している。図８に示すように、この実施例による集電体４５は、通気性を有する導電性材料から成る集電体本体４５ａと、通気性を有し且つ集電体本体４３ａを隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１（図８では省略）の双方に圧接させる楔形を成すスペーサ４５ｂを具備しており、この集電体４５において、通気孔を有するセラミックをスペーサ４５ｂとして採用すれば、金属部品が減る分だけコストの低減が図られることとなる。

［実施例５］
図９〜図１１は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図９に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、集電体１５に固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向の力を付与して、該集電体１５の隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１，１の双方に対する圧接状態を維持する押圧保持手段としてのリング部材５１を設けた点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

このリング部材５１は、図１０及び図１１に示すように、絶縁体から成る二本の分割帯５１ａ，５１ａを二つの連結部５２，５２を介して連結して成っており、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の集電体１５のそれぞれに対して互いに独立して配置してある。この場合、連結部５２に長さ調整機能を持たせることで、集電体１５に対する押圧力を調整し得るようにしてある、すなわち、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１，１の双方に対する集電体１５の圧接状態を調整し得るようにしてある。

この実施例のスタック構造体１１では、その組立て後において、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の集電体１５のそれぞれに沿うようにしてリング部材５１を配置し、連結部５２によりリング部材５１の長さ調整を行って各固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の集電体１５にその積層方向と直交する方向の力を付与するように成せば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性がより一層高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなる。

また、この実施例のスタック構造体１１では、リング部材５１を固体電解質型燃料電池ユニット１，１間のそれぞれに対して独立して配置するようにしているので、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の集電体１５それぞれに対して荷重をかけ得ることとなって、効率的な出力向上が図られると共に、破損を阻止し得ることとなる。

この実施例では、リング部材５１が、二本の分割帯５１ａ，５１ａを二つの連結部５２，５２を介して連結して成るものとしているが、図１２（ａ）に示すように、リング部材５１を、一体物のリング部材５１としてその両端部を一つの連結部５２を介して連結するようにしてもよいほか、図１２（ｂ）に示すように、スタック構造体１１を収容するケース１２の内壁に形成した突起条５１Ａを押圧保持手段として機能させるようにしてもよい。

［実施例６］
図１３及び図１４は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図１３に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部に装着された絶縁体から成る止め具６１を押圧保持手段とした点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

この押圧保持手段としての止め具６１は、図１４に示すように、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部において、セル板２の単セル６に合わせて配置してあって、この実施例では、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部に対してそのばね性を利用して装着してある。

この実施例のスタック構造体１１では、スタック構造体１１の組立て後において、押圧保持手段としての止め具６１を固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部に装着することで、集電体１５の部分的な押し付けを追加して行い得ることとなる。

［実施例７］
図１５及び図１６は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図１５に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、複数の固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に対して燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを供給するべく配置するガス供給管７１を押圧保持手段とした点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

この押圧保持手段としてのガス供給管７１は、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の集電体１５のそれぞれに対して配置してあり、この場合、図１６に示すように、ガス流入側の端部と閉塞端部同士を連結する連結部７２に長さ調整機能を持たせることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１，１の双方に対する集電体１５の圧接状態を調整し得るようにしてある。

この実施例のスタック構造体１１においても、その組立て後に固体電解質型燃料電池ユニット１，１間のそれぞれに沿うようにしてガス供給管７１を配置し、連結部７２によりガス供給管７１の長さ調整を行って各固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の集電体１５にその積層方向と直交する方向の力を付与するように成せば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性がより一層高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなる。

［実施例８］
図１７は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図１７に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、セル板２及びセパレータ板３をいずれも固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１の各外周縁部の間隔が各中心部の間隔よりも小さくなるようにし、これに伴って、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に介在させる集電体１５を断面が楔形を成す円盤状に形成した点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

この実施例のスタック構造体１１では、固体電解質型燃料電池ユニット１を複数積層してスタック構造体１１を組立てた後において、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に配置した集電体１５をその積層方向と直交する方向に引張る作業を行えば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性が高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなり、この際、固体電解質型燃料電池ユニット１の外周縁部側が広くなる分だけ、固体電解質型燃料電池ユニット１内への整流部品などの搬入が容易になる。

［実施例９］
図１８は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示しており、図１８に示すように、この実施例によるスタック構造体１１が、先の実施例のスタック構造体１１と相違するところは、セル板２を固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向と直交する方向に対して傾斜させることで、隣接する固体電解質型燃料電池ユニット１の各外周縁部の間隔が各中心部の間隔よりも小さくなるようにした点にあり、他の構成は先の実施例のスタック構造体１１と同じである。

この実施例のスタック構造体１１においても、その組立て後において、固体電解質型燃料電池ユニット１，１間に配置する集電体１５（図１８では省略）をその積層方向と直交する方向に引張る作業を行えば、集電体１５と単セル６とを確実に接触させ得ることから、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１間の密着性が高まることとなって、作製歩留り及び出力の向上が図られることとなる。

上記した各実施例では、単セル６が小径の円板状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図１９（ａ）に示すように、単セル６Ａがドーナツ状を成す場合には、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング７及び外側リング８をそれぞれ接合してセル板２Ａとすることができ、この際、接合時の作業性を考慮して、図１９（ｂ）に示すように、内側リング７及び外側リング８を縦横の桟９で連結してフレームを形成するようにしてもよく、このフレームに扇形の単セル６Ｂを取付けることも可能である。

本発明のスタック構造体の一実施例を示す断面説明図である。（実施例１）図１におけるスタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視説明図（ａ）及び固体電解質型燃料電池ユニットのセル板の斜視説明図（ｂ）である。（実施例１）図１におけるスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット間に配置する集電体の全体斜視説明図である。（実施例１）図１におけるスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニット間に配置する集電体の他の構成例を示す全体斜視説明図である。図１におけるスタック構造体の固体電解質型燃料電池ユニットの他の構成例を示す断面説明図（ａ）及び（ｂ）である。本発明のスタック構造体の他の実施例を示す断面説明図である。（実施例２）本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池ユニットの断面説明図である。（実施例３）本発明のさらに他の実施例によるスタック構造体に採用する集電体の斜視説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。（実施例４）本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示す断面説明図である。（実施例５）図９におけるスタック構造体の平面説明図である。（実施例５）図９におけるスタック構造体のリング部材の簡略分解斜視説明図である。（実施例５）図９におけるスタック構造体の他の構成例を示す平面説明図（ａ）及びリング部材の簡略分解斜視説明図（ｂ）である。本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示す断面説明図である。（実施例６）図１３におけるスタック構造体の平面説明図である。（実施例６）本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示す断面説明図である。（実施例７）図１５におけるスタック構造体の平面説明図である。（実施例６）本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示す断面説明図である。（実施例８）本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示す固体電解質型燃料電池ユニットの断面説明図である。（実施例９）スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの単セルの他の配置パターンを示すセル板の平面説明図（ａ）及び（ｂ）である。

符号の説明

１固体電解質型燃料電池ユニット
２セル板
３セパレータ板
６，６Ａ，６Ｂ単セル
１０燃料電池
１１スタック構造体
１２ケース
１２ａガス導入部
１２ｂガス排出部
１５，４５集電体
２１，３１ガス導入孔
２２，３２ガス排出孔
４５ａ集電体本体
４５ｂスペーサ
５１，５１Ａリング部材（押圧保持手段）
５２調整部
６１止め具（押圧保持手段）

Claims

単セルを保持していると共に中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有するセル板と、中心部分に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの導入孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させたセパレータ板を具備した固体電解質型燃料電池ユニットを集電体を介して複数積層して成り、固体電解質型燃料電池ユニット間の集電体に対して固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向の力を付与することで該集電体をセル板の単セルに押し付け可能とし、
隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔と各中心部の間隔とを変えるべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させ、隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に圧接可能な楔形に集電体を形成してあることを特徴とするスタック構造体。
隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔を漸次小さくするべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させた請求項１に記載のスタック構造体。
隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの各外周縁部の間隔よりも各中心部の間隔を漸次大きくするべく、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させた請求項１に記載のスタック構造体。
集電体は、通気性を有する導電性材料から成っている請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
集電体は、通気性を有する導電性材料から成る集電体本体と、通気性を有し且つ集電体本体を隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に圧接させるスペーサを具備している請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
集電体に固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向の力を付与して、該集電体の隣接する固体電解質型燃料電池ユニットの双方に対する圧接状態を維持する押圧保持手段を設けた請求項１〜５のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部に沿って配置したリング部材を押圧保持手段とした請求項６に記載のスタック構造体。
リング部材の長さ調整を可能とした請求項７に記載のスタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットの外周縁部に装着された止め具を押圧保持手段とした請求項６に記載のスタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットのセパレータ板を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に沿わせた請求項１〜９のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットのセル板を固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に沿わせた請求項１〜９のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板をいずれも固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向と直交する方向に対して傾斜させた請求項１〜９のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板をＦｅ基又はＮｉ基の合金材料から成る薄板で形成した請求項１〜１２のいずれか一つの項に記載のスタック構造体。
ガス導入部及びガス排出部を具備したケースを備え、このケースに請求項１〜１３のいずれか一つの項に記載のスタック構造体を収容した状態において、ガス導入部から導入されて固体電解質型燃料電池ユニット間を通過させた燃料ガス及び空気のうちの他方のガスをガス排出部から排出することを特徴とする燃料電池。