JP5705634B2

JP5705634B2 - 燃料電池セル装置

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Publication number: JP5705634B2
Application number: JP2011096261A
Authority: JP
Inventors: 広一田中
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: JP2012227104A

Description

本発明は、燃料電池セル装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気等）とを用いて６００℃〜１０００℃の高温下で発電する燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設して電気的に直列に接続してなる燃料電池セル装置が知られている。そして、燃料電池セルと集電部材とを導電性接合材を用いて接合することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−３３９９０４号公報

しかしながら、燃料電池セルと集電部材とを導電性接合材を介して接合した場合に、集電部材の表面が平らであることから、集電部材と導電性接合材との接合強度が弱く、燃料電池装置の作製時や運搬時などに集電部材と燃料電池セルとが剥離する問題があった。

本発明の燃料電池セル装置は、第１の方向に配列された複数個の燃料電池セルと、該複数個の燃料電池セルの間に配置されており、前記燃料電池セルに向かい合う第１表面と、該第１表面よりも前記第１の方向との交差角が小さくなる方向に沿って配列された第２表面とを備えており、該第２表面に凹部を有する集電部材と、該集電部材の前記第１表面から前記第２表面にかけて設けられており、一部が前記凹部内に設けられ、前記燃料電池セルと前記集電部材とを接合する導電性接合材とを備え、前記凹部は、該凹部の開口部を含む前記第１の方向に沿った断面で断面視したとき、前記開口部よりも内方で、前記開口部の周囲に位置する表面の背後に流入部を有しており、該流入部に前記導電性接合材の一部が収容されている。

本発明によれば、集電部材と導電性接合材との接合強度を向上させることができ、集電部材と燃料電池セルとの剥離を抑えることができる。

本発明の一実施形態である燃料電池セル装置を示す図で、（ａ）は燃料電池セル装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。図１に示す集電部材を抜粋して示す斜視図である。（ａ）は図２に示す集電部材のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図２に示す集電部材のＢ−Ｂ線断面図である。図３（ｂ）に示す集電部材の集電部を拡大して示す拡大断面図である。図１に示す燃料電池セル装置における燃料電池セルと集電部材との接合状態を示す縦断面図である。本発明の他の実施形態に係る燃料電池セル装置における燃料電池セルと集電部材との接合状態を示す縦断面図である。本発明の他の実施形態である燃料電池セル装置を構成する集電部材の集電部を拡大して示す拡大断面図である。図７に示す集電部材を用いて構成される燃料電池セル装置の一部を抜粋して示す縦断面図である。図１に示す燃料電池セル装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールを分解して示す外観斜視図である。図９に示す燃料電池モジュールを外装ケースに収納してなる燃料電池装置を示す斜視図である。

本発明の第１の実施形態である燃料電池セル装置１について図１を用いて説明する。

燃料電池セル装置１（以下、セルスタック装置１と称する場合がある。）は、内部にガス流路１２を有して、一対の対向する主面をもつ全体的に見て柱状の導電性支持体７の一方の主面上に内側電極層である燃料極層８と、固体電解質層９と、外側電極層である空気極層１０とをこの順に積層してなる発電部を備える燃料電池セル３を有している。そして燃料電池セル３は他方の主面のうち外側電極層が形成されていない部位にインターコネクタ１１を積層してなる柱状（中空平板状）であり、これらの燃料電池セル３の複数個を１列に配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４を配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２を備えている。

燃料電池セル３と集電部材４とは詳しくは後述するが、導電性接合材１３を介して接合されており、それにより、複数個の燃料電池セル３を集電部材４を介して電気的および機械的に接合して、セルスタック２を形成している。

また、インターコネクタ１１の外面にはＰ型半導体層（図示せず）を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層を介してインターコネクタ１１に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくすることができる。このＰ型半導体層は、空気極層１０の外面にも設けてもよい。

そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端が、燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１２を介して燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのガスタンク６に、ガラス等のシール材（図示せず）により固定されている。

図１に示すセルスタック装置１においては、燃料電池セル３のガス流路１２の内部を燃料ガスとして水素含有ガスを流れるとともに、燃料電池セル３の間に配置された集電部材４の内部を酸素含有ガス（空気）が流れる構成となる。それにより、燃料極層８にガスタンク６から燃料ガスが供給され、空気極層１０に集電部材４の内部を通じて酸素含有ガスが供給されることで、燃料電池セル３の発電が行なわれる。以下の説明においては、外側電極層を空気極層１０、内側電極層を燃料極層８として説明する。

セルスタック装置１は、図１に示す第１の方向である燃料電池セル３の配列方向の両端から集電部材４を介してセルスタック２を挟持するように、ガスタンク６に下端が固定された弾性変形可能な導電部材５を具備している。ここで、図１に示す導電部材５は、セルスタック２の端部に位置するように設けられた平板部５ａと、第１の方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック２（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出部５ｂとを有している。なお、第１の方向とは燃料電池セル装置１で発電した電流の流れ方向である。

以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称する）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９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、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、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気極層１０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、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性セラミックスから形成することができる。空気極層１０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％の範囲とすることができる。

インターコネクタ１１は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）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（ＬａＣｒＯ_３）を使用することができる。インターコネクタ１１は、導電性支持体７に形成された複数のガス流路１２を流通する燃料ガス、および導電性支持体７の外側を流通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％以上の相対密度であることが好ましい。

導電性支持体７としては、燃料ガスを燃料極層８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１１を介して集電するために導電性であることが必要とされる。したがって、導電性支持体７としては、かかる要求を満足するものを材質を用いる必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。

なお、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層８または固体電解質層９との同時焼成により導電性支持体７を作製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体７を形成することができる。また、導電性支持体７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３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は５０Ｓ／ｃｍ以上、さらには３００Ｓ／ｃｍ以上、４４０Ｓ／ｃｍ以上にしてもよい。

さらに、Ｐ型半導体層（図示せず）としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成するランタンクロマイトよりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するランタンマンガナイト（ＬａＳｒＭｎＯ_３）、ランタンフェライト（ＬａＳｒＦｅＯ_３）、ランタンコバルタイト（ＬａＳｒＣｏＯ_３）などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることが好ましい。

導電性接合材１３は、燃料電池セル３と集電部材４とを接合するために設けられており、導電性セラミックス等を用いて形成することができる。導電性セラミックスとしては、空気極層１０を形成するものと同様のものを用いることができ、空気極層１０と同じ成分により形成すると、空気極層１０と導電性接合材１３との接合強度が高くなるため空気極層１０と同じ成分により形成することが好ましい。

具体的には、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３等を用いることができる。これらの材料を単一の材料を用いて作製してもよく、２種以上組み合わせて導電性接合材１３を作製してもよい。

また、導電性接合材１３は、粒径の異なる異種材料により構成してもよく、粒径の同じ異種材料により構成してもよい。さらに、粒径の異なる同材料により構成してもよく、粒
径の同じ同材料により構成してもよい。異なる粒径を用いた場合には微粒の粒径を０．１〜０．５μｍ、粗粒の粒径を１．０〜３．０μｍとすることが好ましい。また同じ粒径で導電性接合材１３を構成する場合は、粒径が０．５〜３μｍとすることが好ましい。

このように、異なる粒径の材料を用いて導電性接合材１３を作製することにより、粒径の大きな粗粒が導電性接合材１３の強度を向上させるとともに、粒径の小さな微粒が導電性接合材１３の焼結性を向上させることができる。

次に、集電部材４について図２〜４を用いて説明する。図２においては集電部材４の表面に設けられた凹部１５を省略して示している。また、矢印にて第１の方向を示す。

図２に示す集電部材４は、隣接する一方の燃料電池セル３と接合される複数の第１集電片４ａと、隣接する他方の燃料電池セル３と接合される複数の第２集電片４ｂと、複数の第１集電片４ａおよび複数の第２集電片４ｂの一端同士を連結する第１連結部４ｃと、複数の第１集電片４ａおよび複数の第２集電片４ｂの他端同士を連結する第２連結部４ｄとを一組のユニットとし、これらのユニットの複数組が、燃料電池セル３の長手方向に導電性連結片４ｅにより連結されて構成されている。第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂは、燃料電池セル３に接合される部位を示し、これらの部位が燃料電池セル３の発電により電力を取り出す集電部４ｆとなっている。

燃料電池セル３において、上述したように、固体電解質層９を介して燃料極層８と、空気極層１０とが対向する部位が発電する部位となる。それゆえ、燃料電池セル３の発電部で発電された電流を効率よく集電するにあたり、集電部材４の燃料電池セル３の長手方向に沿った長さは、燃料電池セル３における外側電極層１０の長手方向における長さと同等以上とすることがよい。

集電部材４は、耐熱性および導電性を有する必要があり、例えば合金または導電性セラミックスやサーメット等により作製することができる。特には、集電部材４は、高温の酸化雰囲気に曝されることから４〜３０％の割合でＣｒを含有する合金から作製することができ、Ｆｅ−Ｃｒの合金やＮｉ−Ｃｒの合金等により作製できる。

また、集電部材４は、燃料電池セル装置１の作動時に高温の酸化雰囲気に曝されることから、集電部材４の表面に、耐酸化性のコーティングを施してもよい。それにより、集電部材４の劣化を低減することができる。耐酸化性のコーディングを施す部位としては、集電部材４の全表面に施すことが好ましい。それにより、集電部材４の表面が高温の酸化雰囲気に曝されることを抑えることができる。また、凹部１５を構成する内壁の表面にも設けてもよい。その場合においても、集電部材４の表面が高温の酸化雰囲気に曝されることを抑えることができる。

集電部材４を、Ｃｒを含有する合金で作製する場合には、合金に含まれるＣｒが燃料電池セル３に拡散することを低減するために、Ｃｒ拡散抑制層（図示せず）をコーティングにて形成してもよい。Ｃｒ拡散抑制層としては、Ｚｎの酸化物、あるいはＬａおよびＳｒを含有するペロブスカイト型酸化物を用いることができる。Ｃｒ拡散抑制層は後述する凹部を形成した後に、作製することが好ましい。

図３に示すように、第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂは、第１の方向に対して異なる角度で交差する第１表面４ｇ、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉを有している。言い換えると、燃料電池セル３と対向する第１表面４ｇと、第１表面４ｇの両側に隣り合う第２表面４ｈおよび第３表面４ｉとを有している。そして、第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂの第２表面４ｈおよび第３表面４ｉにそれぞれ複数の凹部１５が設けられている。図
３（ｂ）、図４に示すように、凹部１５は、内部に向かうにつれて先細り形状に形成されており、燃料電池セル３と対向する第１表面４ｇに対して、第１表面４ｇと反対側に向けて斜めに設けられている。

そのため、第２表面４ｈに設けられた凹部１５は、凹部１５の開口部１５ａを含む断面で断面視したとき、開口部１５ａよりも内方で、開口部１５ａの周囲に位置する表面の背後に流入部１５ｂを有している。同様に、第３表面４ｉに設けられた凹部１５は、凹部１５の開口部１５ａを含む断面で断面視したとき、開口部１５ａよりも内方で、開口部１５ａの周囲に位置する表面の背後に流入部１５ｂを有している。

また、凹部１５が集電部４ｆの表面から内方に向かうにつれて先細り形状を有している。なお、図４に示すように、凹部１５が断面視して鋭角な略三角形状をした先細り形状となっており、凹部１５の先細りとなっている先の角度１５ｃは１０〜３０°とすることが好ましい。また、開口部１５ａを含む断面で断面視して略三角形状の例を示したが、凹部１５の形状は三角形状に限定されるものではない。また、先細り形状が漸次細くなる形状でなく、集電部材４の内方に向かうにつれて段階的に細くなっていてもよい。

ここで、開口部１５ａを含む任意の断面で断面視したとき、開口部１５ａよりも内方に位置し、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉの周囲に位置する表面の背後に流入部を有するとは、図４に示すように、第２表面４ｈまたは第３表面４ｉの周囲の表面の背後に位置する凹部の壁と、第２表面４ｈまたは第３表面４ｉに設けられた開口部１５ａの周縁からおろした二点鎖線にて示す垂線とで囲まれる領域のことをいう。

凹部１５は、導電性接合材１３との接合強度の観点から、集電部７ｆの第２表面４ｈから内部に向けて５〜１００μｍの深さ（図４で示すＬ）で設けることが好ましく、凹部１５の開口部１５ａは５〜５０μｍの大きさ（図４で示すＷ）で設けることが好ましい。これにより、後述するように導電性接合材１３の一部を凹部１５内へ充填するにあたり、凹部１５の内部へ充填し易くなり、また、アンカー効果による集電部材４と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができる。

ここで、集電部材４の作製方法について説明する。一枚の矩形状をした板部材にプレス加工を施して板部材の幅方向に延びるスリットを板部材の長手方向に複数形成する。そして、第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂとなるスリット間の部位を交互に引き出すことにより、図２に示す集電部材４を作製することができる。そして、凹部１５に対応する凸部を有した部材を第２表面４ｈおよび第３表面４ｉに押し付けてめり込ませることにより、凹部１５を形成する。凹部１５を先細り形状とすることで、集電部材４に凹部１５を容易に設けることができる。

また、第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂとなるスリット間の部位をはさんで引き出す部材の第２表面４ｈおよび第３表面４ｉと対向する面に凹部１５に対応する凸部を設け、引き出す際に凸部をめり込ませて凹部１５を形成しながら交互に引き出してもよい。

次に、集電部材４と燃料電池セル３との導電性接合材１３による接合状態について、図５を用いて説明する。

図５に示すように集電部材４と燃料電池セル３とは導電性接合材１３を介して接合されている。つまり、導電性接合材１３により、集電部材４と燃料電池セル３とは電気的および機械的に接続されている。導電性接合材１３は、集電部４ｆの第１表面４ｇ、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉと接するように設けられており、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉに接する導電性接合材１３はそれぞれ接合される燃料電池セル３側の方に多く配置され
ている。また、集電部材４の全周を被覆することにより、集電部４ｆを完全に覆うように導電性接合材１３を設けてもよい。

導電性接合材１３は、燃料電池セル３と集電部材４とを接合するために配置されており、燃料電池セル３の空気極層１０側には、空気極層１０の全面にわたり設けられている。燃料電池セル３のインターコネクタ１１側には、導電性接合材１３がインターコネクタ１１の全面にわたり設けられている。なお、空気極層１０やインターコネクタ１１の一部にのみ導電性接合材１３を設けて、集電部材４と燃料電池セル３とを接合してもよい。

そのため、図５に示すように、凹部１５の内部には、導電性接合材１３が収容されることとなり、流入部にも導電性接合材１３が収容され、アンカー効果により、集電部材４と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができる。

凹部１５は、開口部１５ａよりも内方で、開口部１５ａの周囲に位置する表面の背後に流入部を有しており、この流入部に導電性接合材１３の一部が収容されている。言い換えると、集電部材４の開口部１５ａが設けられた第２表面４ｈまたは第３表面４ｉから透視して、開口部１５ａよりも外側の領域に凹部１５の一部が設けられており、この凹部１５の一部にも導電性接合材１３が収容されている。

そのため、集電部材４は、第１表面４ｇに対して第１の方向における集電部材４と燃料電池セル３との接合強度を向上させることができるとともに、第１表面４ｇに沿う方向における集電部材４と燃料電池セル３との接合強度を向上させることができる。それにより、接続信頼性の向上した燃料電池セル装置１とすることができる。

また、集電部材４は、隣り合う燃料電池セル３とそれぞれ接合するために、複数の集電部４ｆを備えており、一方の燃料電池セル３と接合される、隣り合う一方の集電部４ｆの第２表面４ｈと隣り合う他方の集電部４ｆの第３表面４ｉとが向かい合うように配置されている。そして、一方の集電部４ｆの第２表面４ｈおよび他方の集電部４ｆの第３表面４ｉに凹部１５が設けられている。言い換えると複数の集電部４ｆ同士が対向する表面に凹部１５設けられている。そして、第２表面４ｈに設けられた凹部１５および第３表面４ｉに設けられた凹部１５は、第１表面４ｇの反対側に向けて傾いた状態で形成されている。

凹部１５が、一方の集電部４ｆの第２表面４ｈおよび他方の集電部４ｆの第３表面４ｉに設けられていることから、集電部４ｆの配列方向（第１表面４ｇに沿う方向）における燃料電池セル３と集電部材４との接合強度を向上することができる。また、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉに設けられた凹部１５が、それぞれ第１表面４ｇの反対側に向けて傾いた状態で形成されていることから、例えば、第２表面４ｈに設けられた凹部１５の開口部１５ａから凹部１５の底部側に向けて延びる方向に応力が働いた場合においても、第３表面４ｉに設けられた凹部１５により、集電部材４と導電性接合材１３とが剥離することを抑えることができる。

また、第１表面４ｇに凹部１５が設けられておらず、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉにそれぞれ凹部１５が設けられていることから、第１表面４ｇよりも第１の方向との交差角が小さくなる方向に沿って配置された第２表面４ｈおよび第３表面ｉに、凹部１５が多く設けられている。言い換えると、集電部４ｆは、第１の方向との交差角が大きい表面よりも、第１の方向との交差角が小さい表面に凹部１５が多く設けられている。

それにより、燃料電池セル３と向かい合う第1表面４ｇに設けられる凹部１５の数が、
集電部４ｆの他の表面（例えば第２表面４ｈあるいは第３表面４ｉ）に設けられる凹部１５の数よりも少ないこととなる。そのため、第１の方向に流れる電流を妨げず、集電部材
４と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができる。つまり、集電部材４における電気的な抵抗の増大を抑えることができる。

集電部４ｆの各表面に設ける凹部１５は、集電部材４の形状や大きさによりその形状や設ける数を適宜設定することができるが、例えば、第１表面４ｇに凹部１５を設ける場合、開口部１５ａが第１表面４ｇの面積の１〜５％となるように設けることが好ましい。その場合において、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉに設ける凹部１５は、それぞれの表面の面積の３〜１０％となるように設けることが好ましい。

また、第１表面４ｇに凹部１５を設ける場合、それぞれの凹部１５の開口部１５ａの面積の総和が、第２表面４ｈおよび第３表面４ｉに設けるそれぞれの凹部１５の開口部１５ａの面積の総和よりも小さくなるように設けることが好ましい。それにより、第１の方向における集電部４ｆの電気抵抗の増大を抑えることができる。さらに、第１表面４ｇに設ける凹部１５の深さＬを他の表面における凹部１５よりも深くすることで、集電部材４と導電性接合材１３との接合強度を強固にしつつ、電気抵抗の増大を抑えることができる。

第１の方向と第１表面４ｇまたは第２表面４ｈとの交差角とは、第１表面４ｇまたは第２表面４ｈと第１の方向に沿った直線とにより形成される角度である。ここで、第１の方向との交差角が小さい第２表面としては、第１の方向に対して斜めに配置されているものも含み、第１の方向と平行な第２表面も含む。

なお、図５においては第１表面４ｇに凹部１５を設けていない例を示したが、第１表面４ｇに、第２表面４ｈまたは第３表面４ｉに設けられる凹部１５よりも少なく凹部１５を設けてもよい。それにより、第１の方向の接合強度を向上させることができる。

図６を用いて本発明の第２の実施形態である燃料電池セル装置１７（セルスタック装置１７）について説明する。

セルスタック装置１７は、集電部材１８に設けられた凹部１５の配置および傾きの向きが、セルスタック装置１とは異なり、その他の構成は、セルスタック装置１と同様である。以下、同様の部材については同じ番号を付して示す。

集電部材１８は、燃料電池セル３の空気極１０と接合する側の第２集電片１８ｂに設けられた凹部１５が、第２表面１８ｈおよび第３表面１８ｉのうち第１表面１８ｇと反対にある表面側に設けられている。また、凹部１５が第１表面１８ｇ側に傾斜している点で集電部材４と構成が異なる。つまり、第２集電片１８ｂにおいて、第２表面１８ｈのうち第１表面１８ｇ側には凹部１５が設けられておらず、凹部１５が、第２表面１８ｈのうち第１表面１８ｇと反対側にある表面側に設けられている。また、第３表面１８ｉに設けられた凹部１５も同様に、第３表面１８ｉのうち第１表面１８ｇと反対にある表面側に設けられており、第２集電片１８ｂにおいて、第３表面１８ｉのうち第１表面１８ｇ側には凹部１５が設けられていない。この場合においても、導電性接合材１３と集電部材４との接合強度を向上させることができる。

図７、８を用いて、本発明の第３の実施形態であるセルスタック装置１９を構成する集電部材４´について説明する。

凹部１５´を含む任意の断面で断面視したとき、凹部１５´は、開口部１５´ａを上面として、底部（図示せず）を底面とする台形形状を有しており、凹部１５´を構成する側壁が内部へ向かうにつれて外側に広がるテーパー状となっている。そのため、開口部１５´ａよりも内方に位置する流入部１５´ｂが、集電部材４´の第２表面４´ｈまたは第３
表面４´ｉの周囲の背後に位置している。また、凹部１５´の内部に導電性接合材１３が充填され、収容されている。

そのため、充填された導電性接合材１３が、導電性接合材１３と集電部材４´とに生じた応力に対して凹部１５´内で引っかかり、燃料電池セル３と集電部材４との接合強度を向上させることができる。また、第1表面４´ｇの延びる方向にそれぞれ流入部１５´ｂ
が設けられていることから、さらに燃料電池セル３と集電部材４との接合強度を向上させることができる。

凹部１５´の底部は、開口部１５´ａよりも大きければよく、開口部１５´ａの径の大きさ（図７で示すＷ）の１．５〜２．５倍であることが好ましい。また、凹部１５´の深さ（図７で示すＬ）は、５〜１００μｍであることが好ましい。それにより、導電性接合材１３と、凹部１５の内壁との接触面積を増加させることができ、集電部材４と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができる。

次に、集電部材４´と燃料電池セル３との接合状態について図８を用いて説明する。

図８に示すセルスタック装置１９は、集電部材４´を用いている点で第２の実施形態に係るセルスタック装置１７と異なり、その他の点はセルスタック装置１７と同じである。

集電部材４´は、燃料電池セル３の空気極１０と接合する側の第２集電片４´ｂに設けられた凹部１５´が、第２集電片４´ｂにおける第２表面４´ｈおよび第３表面４´ｉの第１表面４´ｇ側には凹部１５´が設けられておらず、第２表面４´ｈおよび第３表面４´ｉの第１表面４´ｇと反対側に設けられている点が集電部材４と構成が異なる。そして、集電部材４´に設けられている凹部１５´は、開口１５ａを含む任意の断面で断面視したとき台形形状を有している。

凹部１５´が台形形状を有していることから、開口部１５´ａを含むように断面視して、開口部１５´ａの両方の外側に凹部１５´の流入部１５´ｂがその内部にも形成されており、導電性接合材１３が充填されていることから、集電部材４´と導電性接合材１３との接合強度をさらに向上させることができる。

次に、セルスタック装置１を収納容器２１内に収納してなる燃料電池モジュール２０について図９を用いて説明する。

図９に示す燃料電池モジュール２０は、燃料電池セル３にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２２をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２３を介してガスタンク６に供給され、ガスタンク６を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図９においては、収納容器２１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１および改質器２２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図９に示した燃料電池モジュール２０においては、セルスタック装置１を、収納容器２１内にスライドして収納することが可能である。

また収納容器２１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２４は、図９においてはガスタンク６に並置されたセルスタック２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル３の側方を下端部側（一端部側）から上端部側（他端部側）に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給す
るように構成されている。そして、燃料電池セル３のガス流路より排出される発電に使用されなかった余剰の燃料ガス（燃料オフガス）を燃料電池セル３の上端部の上方で燃焼させることにより、セルスタック２の温度を効果的に上昇させることができ、セルスタック装置１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル３の上端部の上方にて、燃料電池セル３のガス流路から排出される発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された改質器２２を温めることができる。それにより、改質器２２で効率よく改質反応を行うことができる。

次に、燃料電池モジュール２０と、燃料電池モジュール２０を作動させるための補機（図示せず）とを外装ケースに収納してなる燃料電池装置２５について図１０を用いて説明する。

図１０に示す燃料電池装置２５は、支柱２６と外装板２７から構成される外装ケース内を仕切板２８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール２０を収納するモジュール収納室２９とし、下方側を燃料電池モジュール２０を作動させるための補機を収納する補機収納室３０として構成されている。なお、補機収納室３０に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板２８には、補機収納室３０の空気をモジュール収納室２９側に流すための空気流通口３１が設けられており、モジュール収納室２９を構成する外装板２７の一部に、モジュール収納室２９内の空気を排気するための排気口３２が設けられている。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述したセルスタック装置１においては、燃料電池セル３のガス流路１２に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示したが、ガス流路１２に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を空気極層１０とし、外側電極層を燃料極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。その際は、導電性接合材１３の成分を燃料極層８と同様の組成にすることにより、外側電極層としての燃料極層８と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができる。

集電部材４は表面の一部に凹部１５を有するものであればよく、凹部１５の形状は限定されるものではない。例えば、凹部１５をくぼみやへこみ等の形状にした場合においても、アンカー効果により集電部材４と導電性接合材１３との接合強度を向上させることができ、集電部材４と燃料電池セル３との剥離を抑えることができる。

さらに、本明細書においては、長手方向に複数形成された集電部４ｆにより構成された集電部材４の例を示したが、一枚の集電部４ｆにより集電部材４を構成してもよい。

１、１７、１９：燃料電池セル装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４、４´、１８：集電部材
４ａ、４´ａ、１８ａ：第１集電片
４ｂ、４´ｂ、１８ｂ：第２集電片
４ｆ、４´ｃ、１８ｆ：集電部
４ｇ、４´ｄ、１８ｇ：第１表面
４ｈ、４´ｅ、１８ｈ：第２表面
４ｉ、４´ｆ、１８ｉ：第３表面
６：ガスタンク
１３：導電性接合材
１５、１５´：凹部
１５ａ、１５´ａ：開口部
１５ｂ、１５´ｂ：流入部
２０：燃料電池モジュール
２５：燃料電池装置

Claims

第１の方向に配列された複数個の燃料電池セルと、
該複数個の燃料電池セルの間に配置されており、前記燃料電池セルに向かい合う第１表面と、該第１表面よりも前記第１の方向との交差角が小さくなる方向に沿って配列された第２表面とを備えており、該第２表面に凹部を有する集電部材と、
該集電部材の前記第１表面から前記第２表面にかけて設けられており、一部が前記凹部内に設けられ、前記燃料電池セルと前記集電部材とを接合する導電性接合材とを備え、
前記凹部は、該凹部の開口部を含む前記第１の方向に沿った断面で断面視したとき、
前記開口部よりも内方で、前記開口部の周囲に位置する表面の背後に流入部を有しており、該流入部に前記導電性接合材の一部が収容されていることを特徴とする燃料電池セル装置。
前記第１表面よりも前記第２表面に前記凹部が多く設けられている請求項１に記載の燃料電池セル装置。