JP5100036B2 - 燃料電池セルスタック装置、燃料電池セルスタック連結装置および燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池セルの電気的効率が低下することを防止できる燃料電池セルスタック装置に関する。また、その燃料電池セルスタック装置を２つ以上連結してなる燃料電池セルスタック連結装置に関する。さらには、上記燃料電池セルスタック装置または燃料電池セルスタック連結装置を有する燃料電池に関する。

近年、次世代エネルギーとして、複数の燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図６（ａ）は、従来の燃料電池セルスタック３０を有する燃料電池セルスタック装置２１を概略的に示す側面図である。この燃料電池セルスタック３０は、複数の燃料電池セル２２の間に集電部材２３を介装して一列に配列させて構成されるとともに、隣り合う燃料電池セル２２同士は、集電部材２３により電気的に接続され、この状態でマニホールド３１に固定されている。燃料電池セルスタック装置２１にはさらに、上記燃料電池セル２２を保持するために、燃料電池セルの配列方向における両端部に設けた保持部材３３と、電流を取り出すための電流引出し部材２３ａが設けられている。

また、図６（ｂ）は、図６（ａ）の燃料電池セルスタック装置２１の一部拡大平面図である。燃料電池セル２２ａは、一対の平坦面をもつ柱状の導電性支持基板２８ａの一方の平坦面上に燃料極２５ａ、固体電解質層２６ａ及び酸素極２４ａが積層され、他方の平坦面上にインターコネクタ２７ａが設けられている。導電性支持基板２８ａには燃料電池セル２２ａの立設方向に沿って複数の燃料ガス通路２９ａが形成されている。集電部材２３は、一方の燃料電池セル２２ａの酸素極２４ａと、他方の燃料電池セル２２ｂのインターコネクタ２７ｂに導電性接着剤で固定される。配列方向の最端部に位置する燃料電池セル２２ａの端部側には、端部集電部材２３ｂが設けられている。この端部集電部材２３ｂに対して比較的フレキシブルな導電性線部材である電流引出し部材２３ａが取り付けられている。

燃料電池セルスタック３０の両端には、板状の絶縁体からなる保持部材３３が設けられており、一対の保持部材３３の下端部はマニホールド３１の側面に固定され、これにより燃料電池セルスタック３０に両端から押圧力を及ぼした状態で、各燃料電池セル２２の下端部がマニホールド３１の上面のガラスシール材３２により固定されている。

また図７（ａ）は、燃料電池セル２２と保持部材３３との間に端部集電部材２３ｂを介装してなる従来の燃料電池セルスタック装置の一部拡大斜視図である。ここで、従来の保持部材３３は、板状の保持部３３ａと保持部３３ａの立設方向の全長に沿って設けられた支持部３３ｂから構成されており、保持部材３３は、マニホールド３１の側面に接合されている。
特開２００３−３０８８５７号公報

しかしながら、上記した燃料電池においては、燃料電池セル２２は、一対の平坦面をもつ柱状の導電性支持基板２８の一方の平坦面上に燃料極２５、固体電解質層２６及び酸素極２４が積層され、他方の平坦面上にインターコネクタ２７が設けられている。それゆえ、導電性支持基板２８の両側に異なる材料からなる層が形成されていることから、その熱膨張係数等が異なることにより、セルに反りが発生することがある。その際、燃料電池セル２２と保持部材３３との間に引張り応力が発生する。特に、インターコネクタ２７が、ランタンクロマイト系の材料等からなる場合には、燃料電池セル２２を還元する際に、インターコネクタ２７の還元膨張が生じることにより、燃料電池セル２２において、インターコネクタ２７との寸法差に起因した反り変形が生じる場合がある。より詳細には、セルスタック３０の最も外側の燃料電池セル２２と端部集電部材２３ｂとの間に最も強い引張り応力が発生する（図７（ｂ）の円で示した部位を参照）。

この場合において、燃料電池セル２２および保持部材３３は、下端部がマニホールド３１に固定されているため、燃料電池セル２２の立設方向における上部、特には上端部で、燃料電池セル２２と保持部材３３の間の引張り応力が最大となる。そして、この引張り応力が、閾値を越えた場合には、端部集電部材２３ｂと保持部材３３とが剥離する、もしくは、端部集電部材２３ｂと燃料電池セル２２とが剥離するといった障害が発生し、燃料電池の発電効率が低下するという問題があった。また場合によっては、燃料電池セル２２そのものが折損するという問題もあった。

それゆえ、本発明は、燃料電池セルスタックと保持部材との電気的接続を確実に行うことができる燃料電池セルスタック装置、およびそれを具備する燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、複数の燃料電池セルを立設して配列した状態でマニホールドに固着し、かつ隣接する前記燃料電池セル間に集電部材を介装してなるセルスタックと、該セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向の両側から端部集電部材を介して前記セルスタックを挟持するように前記マニホールドに立設して固着された合金製の保持部材とを具備する燃料電池セルスタック装置であって、前記保持部材は、前記セルスタックを、前記端部集電部材を介して保持するための板状の保持部と、一端部が前記保持部の立設方向における中央部に設けられ、他端部が前記マニホールドに固着された支持部と、を具備してなることを特徴とする。

このような構成を有する本発明の燃料電池セルスタック装置では、支持部により支持された保持部の中央部でセルスタックを確実に保持固定できる。

一方、保持部の中央部以外は、支持部により支持される領域がないため、保持部が柔軟性を有することとなり、特には保持部の立設方向の上部で顕著となる。すなわち、燃料電池セルが変形した場合においても、その変形に追従して保持部の中央部以外、特には保持部の立設方向の上部が柔軟に変形することが可能となることから、燃料電池セルと保持部材との間に発生する応力、より詳細には、保持部材と端部集電部材との間に発生する応力、もしくは端部集電部材と燃料電池セルとの間に生じる応力等を緩和することができる。

したがって、保持部材と端部集電部材との剥離、もしくは端部集電部材と燃料電池セルとの剥離等の障害の発生を抑制することができ、電気的効率が低下することを防止することが可能な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置は、支持部の他端部に、マニホールドに固着するための固着部が設けられていることが好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池セルスタック装置では、支持部とマニホールドとの固着面積を固着部の分だけ大きくすることができる。したがって、支持部とマニホールドとの固着面積をより大きくすることができることから、保持部材をマニホールドにより安定かつより強固に固着することが可能な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置は、保持部が、２つの前記支持部を有することが好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池セルスタック装置では、支持部により支持された保持部の中央部でのセルスタックの保持固定を、より強固なものとすることができる。通常、保持部には過度の柔軟性は必要としないため、２つの支持部を有することで、保持部が適度な柔軟性を有するとともに、保持部の中央部における剛性を高めることが可能となる。さらには、保持部が、２つの支持部を有することから、マニホールドに対する保持部材の固着強度を高めることができる。したがってマニホールドに対し、燃料電池セルおよび保持部材をより安定して固着することが可能な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタック装置は、２つの前記支持部にそれぞれ設けられる前記固着部が、前記支持部に対して同一方向に設けられていることが好ましい。なお、本発明において固着部は、支持部に対して、交差する方向に設けるのが好ましく、より好ましくは、支持部に対して、垂直に交差する方向に設けるのが好ましい。なお、固着部は、後述するように、固着部を介して２つ以上の燃料電池セルスタック装置を連結することから、平面視で燃料電池セルの配列方向Ｙと垂直となるように設けることが好ましく、さらに１つの固着部はマニホールドより突出するように設けるのが好ましい。なお、他方の固着部は、保持部材から垂直に交差する方向に突出しないよう設けることが好ましい。

これらにより、例えば、固着部を導電性の金属等から構成した場合には、後述するように、平面視でマニホールドより突出した固着部を介して、並置した２つの燃料電池セルスタック装置同士を電気的に導通させること、すなわち電気的に直列に連結することが容易となる。一方、他方の固着部は、平面視で、マニホールドより突出しないよう設けることから、保持部材全体の大きさが大きくなることが抑制されることとなる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタック装置は、２つの前記支持部は、前記保持部材の立設方向の長さが異なることが好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池セルスタック装置では、例えば、マニホールドの表面に接着されるガラスシール材の表面と、ガラスシール材の内部といったように、支持部、さらには固着部を、複数箇所にて固着することが可能となるため、保持部材とマニホールドがより強固に固着された、燃料電池セルスタック装置を提供することができる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタック装置は、前記保持部は、前記マニホールドに固着していないことが好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池セルスタック装置では、保持部の立設方向における下部においても、保持部に柔軟性を持たせることが可能となる。したがって、燃料電池セルが変形等した場合においても、その変形により柔軟に追従することが可能であることから、保持部材と端部集電部材との剥離、もしくは端部集電部材と燃料電池セルとの剥離等の障害の発生を抑制することができ、電気的効率が低下することを防止することが可能な燃料電池セルスタック装置を提供することができる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタック連結装置は、上記のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を、前記燃料電池セルの配列方向を互いに平行として２つ並置するとともに、前記２つの燃料電池セルスタック装置に設けられた前記固着部同士を、導電性の連結部材により相互に連結することが好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池セルスタック連結装置では、固着部を導電性の金属等から構成することで、２つの燃料電池セルスタック装置を、効率よく電気的に接続する、すなわち電気的に直列に連結することが容易となる。それゆえ、２つの燃料電池セルスタック装置を小スペースに配置可能な、燃料電池セルスタック連結装置を提供することができる。

さらに、本発明の燃料電池は、上記のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置、または燃料電池セルスタック連結装置を、収納容器内に収容してなることが好ましい。

このような構成を有する本発明の燃料電池では、燃料電池セルが変形した場合においても、保持部材と端部集電部材との剥離、もしくは端部集電部材と燃料電池セルとの剥離等の障害の発生を抑制することができ、電気的効率が低下することを防止することが可能な燃料電池セルスタック装置を具備することから、長期間、安定して発電出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、保持部材が柔軟性を有することとなり、燃料電池セルに変形等が生じた場合においても、保持部材と端部集電部材との剥離、もしくは端部集電部材と燃料電池セルとの剥離等の障害の発生を抑制することが可能となり、電気的効率が低下することを防止することができる。

さらに、本発明の燃料電池セルスタック連結装置は、燃料電池セルスタック装置を、前記燃料電池セルの配列方向を互いに平行として２つ並置した場合に、その２つの燃料電池セルスタック装置に設けられた固着部同士を、導電性の連結部材により相互に連結することができ、２つの燃料電池セルスタック装置を、電気的に直列に連結することができる。そのため、２つの燃料電池セルスタック装置を小スペースに配置することが可能となる。

さらに、本発明の燃料電池では、燃料電池セルが変形した場合においても、保持部材と端部集電部材との剥離、もしくは端部集電部材と燃料電池セルとの剥離等の障害の発生を抑制することが可能となり、電気的効率が低下することを防止することが可能な燃料電池セルスタック装置を具備することにより、長期間、安定して発電出力を得ることが可能な燃料電池となる。

本発明の燃料電池セルスタック装置、燃料電池セルスタック連結装置を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池セルスタック装置１を表し、（ａ）はセルスタック１０を有する燃料電池セルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は、（ａ）の燃料電池セルスタック装置１の一部拡大平面図であり、両者を用いて本発明の構成の基本的部分を説明する。なお、図１（ａ）において、Ｘとは、燃料電池セルの立設方向を示し、図１（ａ）および（ｂ）において、Ｙとは、燃料電池セル２の配列方向を示している。

燃料電池セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル２を一列に立設して配列した状態でマニホールド１１に固着し、かつ隣接する燃料電池セル２間に集電部材３を介装してなるセルスタック１０と、セルスタック１０を燃料電池セル２の配列方向の両側から端部集電部材３ｂを介してセルスタック１０を挟持するようにマニホールド１１に立設し固着された合金製の保持部材１３とを具備する。なお、燃料電池セル２および保持部材１３の下部（下端部）は、例えば耐熱性に優れたガラスシール材１２によりマニホールド１１に埋設され接合される。

そして、燃料電池セル２は、中空平板状とされ、一対の対抗する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板８の一方の平坦面上に燃料極５、固体電解質層６及び酸素極４が積層され、他方の平坦面上にインターコネクタ７が設けられている。

これら構成を基本として、セルスタック装置１が構成される。なお、以降の図において、同じ構造のものについては、同番号を付与する。また、各図は、本発明を概念的に示すものであり、一部拡大等して記載している。

燃料電池セル２は、導電性支持基板８が燃料ガスを燃料極５まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ７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。したがって、燃料電池セル２は、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば多孔質の導電性セラミックやサーメット等を用いることができる。

集電部材３および端部集電部材３ｂは、弾性を有する金属または合金からなる部材或いは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができるが、本発明においては、集電部材３および端部集電部材３ｂは、燃料電池セル２を電気的に接続するために、弾性を有する合金からなる部材とするのがより好ましい。

酸素極４は、通常一般的に用いられるものであれば、特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極４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。

燃料極５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ＺｒＯ_２（安定化ジルコニアを称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層６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、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の素材等を用いて形成してもよい。

インターコネクタ７は、導電性セラミックから形成することができるが、燃料ガス（水素等）および酸素含有ガス（空気等）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、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ７は導電性支持基板８に形成された燃料ガス通路９を通る燃料ガスおよび導電性支持基板８の外側を流動する酸素含有ガス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好ましい。

導電性支持基板８は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。導電性支持基板８にはこれを立設方向に貫通する複数個（図１（ｂ）においては６個）の燃料ガス通路９が形成されている。燃料電池セル２の各々は、燃料ガスマニホールド１１の上壁（天板）に、例えば耐熱性に優れたガラスシール材１２によって接合され、燃料電池セル２の燃料ガス通路９は、燃料ガス室（図示せず）に連通せしめられる。

ちなみに、燃料極５および固体電解質層６の少なくとも一方との同時焼成により導電性支持基板８を製造する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから導電性支持基板８を形成することが好ましい。また、導電性支持基板８は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

そして、上記した構成で形成された、隣接する燃料電池セル２間に集電部材３を介装してなるセルスタック１０は、燃料電池セル２を立設した状態でマニホールド１１に固着されている。

さらに、燃料電池セル２の配列方向の両側からセルスタック１０を挟持するように、保持部材１３がマニホールド１１に立設し固着されている。なお、マニホールド１１は、燃料ガスケースの役割を有する。

ここで、保持部材１３は、セルスタックを保持するための板状の保持部１３ａと、一端部が保持部１３ａの立設方向における中央部に設けられ、他端部がマニホールド１１に固着された支持部１３ｂを具備する。

図２は、保持部材１３の実施の形態の一例を示したものであり、（ａ）は保持部１３ａが１つの支持部１３ｂを有している場合の一例を、（ｂ）は保持部１３ａが２つの支持部１３ｂを有している場合の一例を示したものである。なお（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、支持部１３ｂは、保持部１３ａの立設方向の中央部に設けられている。

図２（ａ）は、支持部１３ｂの一端部（上端部）が、保持部１３ａの立設方向の中央部に連結されているとともに、他端部（下端部）にマニホールド１１に固着するための固着部１３ｃが設けられている。なお、図２（ｂ）は、固着部の特徴を容易にするため、図１（ｂ）とは固着部１３ｃが異なる方向に設けられているが、後述する燃料電池セルスタック連結装置に併せて、適宜方向を定めることができる。

ここで、支持部１３ｂの一端部は、保持部１３ａの立設方向の中央部に設けられるのが好ましい。なお中央部とは、保持部１３ａの立設方向の中央であることが好ましいが、厳密に中央でなくとも、中央近辺であればよい。また、支持部１３ｂの一端部は、保持部１３ａの強度やセルスタック１０の支持に問題がない限り、必ずしも保持部１３ａの立設方向の中央部に設ける必要はない。例えば、保持部１３ａの立設方向の上部にてより柔軟性を得るためには、支持部１３ｂを保持部１３ａの中心部より下部に連結することが好ましく、逆に保持部１３ａの立設方向の下部にてより柔軟性を得るためには、支持部１３ｂを保持部２３ａの中心部より上部に連結することが好ましく、これらの状況にあわせて、適宜設定することができる。

また、本実施形態においては、固着部１３ｃは支持部１３ｂに対して、垂直に交差する両方向に設けられている。なお、支持部１３ｂが１つの場合において、固着部１３ｃは、支持部１３ｂとマニホールド１１の固着強度を高めるため、支持部１３ｂ対して、垂直に交差する両方向、言い換えれば、支持部１３ｂに対して反対方向に設けられることが好ましいが、支持部１３ｂとマニホールド１１の固着強度を維持できる場合においては、必ずしも両方向に形成する必要はなく、一方向のみに設けてもよい。また、両方向での固着部１３ｃは、長さや大きさ等の形状を相違させてもよい。なお、固着部１３ｃは支持部１３ｂに対して、垂直に交差する方向に設けられるとともに、平面視にて燃料電池セルの配列方向Ｙと垂直となるように、支持部１３ｂおよびを固着部１３ｃ適宜調整して設けるのが好ましく、以降においても同様である。

図２（ｂ）においては、固着部１３ｃが支持部１３ｂに対して、垂直に交差する方向に、かつ同一方向に設けられた状態を示している。なお、図１（ｂ）においても、同様に固着部１３ｃが支持部１３ｂに対して、垂直に交差する方向に、かつ同一方向に設けられ、さらには平面視にてマニホールド１１より突出した状態を示している。

ここで、固着部１３ｃを支持部１３ｂに対して、垂直に交差する方向に、かつ同一方向に設けることにより、一方の固着部１３ｃは、平面視にてマニホールド１１より突出した形状となる。それにより、例えば、固着部１３ｃを導電性の金属等から構成した場合には、後述するように、平面視にてマニホールド１１より突出した固着部１３ｃを介して、並置した２つの燃料電池セルスタック装置１同士を電気的に導通する、すなわち電気的に直列に連結することが容易となる。

一方、他方の固着部１３ｃは、保持部１３ａから垂直に交差する方向に突出しないよう設けることから、保持部材１３全体の大きさが大きくなることが抑制されることとなる。

また本実施形態においては、２つの支持部１３ｂは、保持部１３ａの立設方向の長さが異なる一例を示している。

ここで、２つの支持部１３ｂは、保持部１３ａの立設方向の長さを異ならせることにより、例えば、マニホールド１１の表面に接着されるガラスシール材１２の表面と、ガラスシール材１２の内部といったように、固着部１３ｃを複数箇所にて固着することが可能となるため、保持部材１３をマニホールド１１により強固に固着することが可能となる。

なお、本発明において、保持部材１３は、例えば別途作製した保持部１３ａと支持部１３ｂを溶接等により接合することにより作製することができる。またそれ以外に、一枚の板状の材料を、本発明の構造に合わせて外形を作製し、その板状の材料に切込みを入れるとともに、切り込み部にて折り曲げることにより支持部１３ｂを作製するといった方法を用いることもできる。通常、支持部１３ｂが１つとする場合には、溶接等により作製することが好ましく、支持部１３ｂが２つの場合には、板状の材料を折り曲げることにより作製することが、製造工程の面から好ましい。

なお、同様に固着部１３ｃも溶接または板状の材料を折り曲げることにより作成することができるが、保持部１３ａと垂直の方向に作製する上で、支持部１３ｂをさらに折り曲げて作製することが、製造工程の面から好ましい。

なお、本発明においては、例えば保持部１３ａの形状において、中央部にくびれを有することも可能である（図示せず）。保持部１３ａの中央部にくびれを有することにより、保持部１３ａの立設方向における上部または下部において、より柔軟性を有することが可能となる。

また、保持部材１３は、好ましくは合金より構成されているため、セルスタック１０の電気的導通が可能となるとともに、燃料電池セルスタック装置１の外部に導電可能な、燃料電池セルスタック装置１を提供することができる。

ここで、合金としては、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば耐熱性金属合金等があげられる。なお、その場合において、電流の局所集中を防止するために、保持部１３ａと端部集電部材３ｂとの間に導電性セラミック材料を介在させて、端部集電部材３ｂを保持部材１３と燃料電池セル２に接合させることが好ましく、同様に集電部材３との間に導電性セラミック材料を介在させて、集電部材３を燃料電池セル２に接合させることが望ましい。

そして、一方の固着部１３ｃが、平面視にてマニホールド１１より突出した形状となることにより、その突出した固着部１３ｃを介して、並置した２つの燃料電池セルスタック装置１同士を電気的に導通する、すなわち電気的に直列に連結することが容易となる。

図３は、２つの燃料電池セルスタック装置１を、それぞれの燃料電池セル２の配列方向を互いに並行として並置し、固着部１３ｃを介して連結した一例を示すものであり、図３（ａ）は、本発明の燃料電池セルスタック連結装置の平面図の一例を示し、（ｂ）は、本発明の燃料電池セルスタック連結装置の正面図の一例を示す。

本実施形態においては、２つの燃料電池セルスタック装置１に設けられた固着部１３ｃ同士を、導電性の連結部材１４により相互に連結し、留め具１５にて固定したことから、２つの燃料電池セルスタック装置１を、効率よく電気的に接続する、すなわち電気的に直列に連結することが容易となる。また、２つの燃料電池セルスタック装置１を小スペースに配置可能な、燃料電池セルスタック連結装置となる。なお、図３ａにおいて、燃料電池セルスタック装置は、外部に電気を引き出すための、電流引出し部材１６を有している。

また、本実施形態においては、２つの燃料電池セルスタック装置１を連結したが、３つ以上の燃料電池セルスタック装置１を連結することも可能である（図示せず）。

この場合においては、燃料電池セルスタック装置１を、燃料電池セルの配列方向を互いに並行として３つ以上並置するとともに、一端に設けられた固着部１３ｃと、隣接する一方の燃料電池セルスタック装置１に設けられた固着部１３ｃを、導電性の連結部材１４により相互に連結し、固定具１５にて固定するとともに、他端に設けられた固着部１３ｃと、隣接する他方の燃料電池セルスタック装置１に設けられた固着部１３ｃを、導電性の連結部材１４により相互に連結し、固定具１５にて固定することにより、３つ以上の燃料電池セルスタック装置１を連結することが可能となる。すなわち、ジグザグ状に直列に接続さすることが可能となる。

このように、複数の燃料電池セルスタック装置１を直列接続することで、まとめて電流を取り出すことが可能となるとともに、燃料電池が大型化することを抑制することができる。

なお本発明においては、上述してきたような燃料電池セルスタック装置、または燃料電池セルスタック連結装置を、収納容器内に収容してなる燃料電池を提供できる。

このような構成を有する燃料電池においては、燃料電池セル２が変形した場合においても、保持部材１３と端部集電部材３ｂとの剥離、もしくは端部集電部材３ｂと燃料電池セル２との剥離等の障害の発生を抑制することができ、電気的効率が低下することを防止することが可能な燃料電池セルスタック装置を具備することから、長期間、安定して発電出力を得ることが可能である。なお、本発明の燃料電池においては、上記燃料電池セルスタック装置、または燃料電池セルスタック連結装置を収納していればよく、さらに、燃料電池において一般的に構成される装置（例えば、改質器等）を収納することも可能であり、多くの場合その方が望ましい。

本発明の効果について、本発明者らはシミュレーションにより確認した。

図４は本シミュレーションに用いた、従来の保持部材（ａ）および本発明の保持部材（ｂ）の簡易評価モデルを示したものである。簡易評価モデルであるのため、（ａ）においては、燃料電池セル２２と保持部材３３との間に端部集電部材２３ｂを介装し、マニホールド３１に固定されている構成をモデル化したものである。一方（ｂ）においては、燃料電池セル２と保持部材１３との間に端部集電部材３ｂを介装し、マニホールド１１に固定されている構成をモデル化したものである。そして、これらを用いてシミュレーションを行った。なお、燃料電池セル２および燃料電池セル２２には、インターコネクタ７およびインターコネクタ２７が貼り付けられている（図示せず）。

図５は、本シミュレーションの結果を示したものであり、（ａ）は保持部１３ａを正面視したものである。図７（ｂ）においても示したように、保持部材１３の上端部に最も強い引張り応力が発生し、さらには上端部の端部側に最も強い引張り応力が発生する。（ｂ）は、従来の保持部材（図４（ａ））の簡易評価モデルの結果であり、（ｃ）は本発明の保持部材（図４（ｂ））の簡易評価モデルの結果を示したものである。なお（ｂ）、（ｃ）においては、（ａ）に示した保持部材の向きに対応して結果を示している。

本シミュレーションにおいては、本発明の構造で、燃料電池セル２に反り変形が生じた際に、保持部材１３に発生する剥離方向の応力を比較している。モデル化した燃料電池セル２にはインターコネクタ７が貼り付けられており、還元変形を模擬した熱膨張差を与えることにより、燃料電池セル２には任意の反り変形を与えることができる。なお従来の構造においても同様である。

なお、本シミュレーションの結果においては、支持部材１３ｂを保持部１３ａの中央部に設けたことにより、保持部材の立設方向の中央部や下部においても引張り応力の緩和が見られたが、特に引張り応力の最も強い、保持部材の上端部について結果を示す。

図５（ｃ）に示すように、本発明により支持部材１３の立設方向の上端部、特には上端部の端部側に生じる垂直方向の応力が、従来構造では９．１ＭＰａであったのに対し、本発明の構造を採用することで、３．６ＭＰａと大幅に低減できることを確認できた。

これは、本発明の支持部材１３が、板状の保持部１３ａと、保持部１３ａの立設方向における中央部で支持する支持部１３ｂから構成されていることから、燃料電池セル２の反り変形に対する追従性がよく、端部集電部材３ｂを介して伝えられる応力を低減できるためである。一方、図５（ｂ）からもわかるように、従来構造は、全体の剛性が高い保持部材３３がマニホールド３１に固定されているため、燃料電池セル２２の反り変形に対する追従性が低く、保持部材３３と燃料電池セル２２には高い引張り応力が発生している。したがって、本発明の構造を採用することで、燃料電池セル２に変形等が生じた場合においても、保持部材１３と端部集電部材３ｂとの剥離、もしくは端部集電部材３ｂと燃料電池セル２との剥離等の障害の発生を抑制することが可能となり、電気的効率が低下することを防止することが可能であることを確認できた。

（ａ）は、本発明の燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置の一例を概略的に示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置の一部拡大平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の保持部材の一例を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明の燃料電池セルスタック連結装置の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図である。 本発明のシミュレーションにて用いた、簡易評価モデルを示したものであり、（ａ）は従来の保持部材の簡易評価モデル、（ｂ）は本発明の保持部材の簡易評価モデルである。 （ａ）は保持部材を正面視した模式図、（ｂ）は従来の保持部材の簡易評価モデルの結果、（ｃ）は本発明の保持部材の簡易評価モデルの結果を示したものである。 （ａ）は、従来の燃料電池セルスタックを有する燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置の一部拡大平面図である。 （ａ）は従来の保持部材を示す斜視図であり、（ｂ）は燃料電池セルスタック装置における、燃料電池セルの反りを模式化したものである。

符号の説明

１：燃料電池セルスタック装置
２：燃料電池セル
３：集電部材
３ｂ：端部集電部材
１０：燃料電池セルスタック
１１：マニホールド
１３：保持部材
１３ａ：保持部
１３ｂ：支持部
１３ｃ：固着部
Ｘ ：燃料電池セルの立設方向
Ｙ ：燃料電池セルの配列方向

Claims (8)

1. 複数の燃料電池セルを立設して配列した状態でマニホールドに固着し、かつ隣接する前記燃料電池セル間に集電部材を介装してなるセルスタックと、該セルスタックの前記燃料電池セルの配列方向の両側から端部集電部材を介して前記セルスタックを挟持するように前記マニホールドに立設して固着された合金製の保持部材とを具備する燃料電池セルスタック装置であって、前記保持部材が、前記セルスタックを、前記端部集電部材を介して保持するための板状の保持部と、一端部が前記保持部の立設方向における中央部に設けられ、他端部が前記マニホールドに固着された支持部と、を具備してなることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
2. 前記支持部の他端部に、前記マニホールドに固着するための固着部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
3. 前記保持部材が、前記支持部を２つ有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
4. ２つの前記支持部にそれぞれ設けられる前記固着部が、前記支持部に対して同一方向に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セルスタック装置。
5. ２つの前記支持部は、前記保持部材の立設方向の長さが異なることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池セルスタック装置。
6. 前記保持部は、前記マニホールドに固着していないことを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
7. 請求項３または請求項４に記載の燃料電池セルスタック装置を、前記燃料電池セルの配列方向を互いに平行として２つ並置するとともに、前記２つの燃料電池セルスタック装置に設けられた前記固着部同士を、導電性の連結部材により相互に連結したことを特徴とする燃料電池セルスタック連結装置。
8. 請求項１乃至請求項６のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置、もしくは請求項７に記載の燃料電池セルスタック連結装置を、収納容器内に収容してなることを特徴とする燃料電池。

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