JP6329682B1 - セルスタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルのクラックを抑制可能なセルスタックを提供する。【解決手段】セルスタックは、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂと第１集電部材３０１とを備える。第１集電部材３０１は、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの間に配置され、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂとを電気的に接続する。第１集電部材３０１は、第１接合部ａ１と第２接合部ａ２と第１連結部ｂ１とを有する。第１接合部ａ１は、第１燃料電池セル３００ａに接合され、第２燃料電池セル３００ｂと対向する。第２接合部ａ２は、第２燃料電池セル３００ｂに接合され、第１燃料電池セル３００ａと対向する。第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１のうち第２接合部ａ２側の端部と第２接合部ａ２のうち第１接合部ａ１側の端部とに連なる。第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１及び第２接合部ａ２それぞれに対して傾斜している。【選択図】図７

Description

本発明は、セルスタックに関するものである。

従来、複数の燃料電池セルと、隣接する２つの燃料電池セルを電気的に接続する集電部材とを備えるセルスタックが知られている。特許文献１では、複数の平行部と複数の傾斜部とが互い違いに連結された集電部材が提案されている。特許文献１の集電部材によれば、集電部材の押圧力によって燃料電池セルにクラックが発生することを抑制できる。

特開２０１５−７６３３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の集電部材は複雑な構造であるため、より簡素な構造の集電部材によって燃料電池セルのクラックを抑制したいという要請がある。

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルのクラックを抑制可能なセルスタックを提供することを目的とする。

本発明に係るセルスタックは、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルと第１集電部材とを備える。第１集電部材は、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルの間に配置され、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルとを電気的に接続する。第１集電部材は、第１接合部と第２接合部と第１連結部とを有する。第１接合部は、第１燃料電池セルに接合され、第２燃料電池セルと対向する。第２接合部は、第２燃料電池セルに接合され、第１燃料電池セルと対向する。第１連結部は、第１接合部のうち第２接合部側の端部と第２接合部のうち第１接合部側の端部とに連なる。第１連結部は、第１接合部及び第２接合部それぞれに対して傾斜している。

本発明によれば、燃料電池セルのクラックを抑制可能なセルスタックを提供することができる。

セルスタック装置の斜視図。 セルスタック装置の断面図。 燃料マニホールドの斜視図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池セルの基端側の断面図。 第１集電部材及び第２集電部材の斜視図。 図７のＡ−Ａ断面図。 第１集電部材の斜視図。 第１集電部材の斜視図。 図７のＢ−Ｂ断面図。

以下、本発明に係る集電部材を用いたセルスタックの実施形態について図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２に示すように、セルスタック装置１００は、燃料マニホールド２００と、複数の燃料電池セル３００と、を備えている。

［燃料マニホールド］
図３に示すように、燃料マニホールド２００は、燃料ガス（例えば、水素など）を各燃料電池セル３００に分配するように構成されている。燃料マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。燃料マニホールド２００の内部空間には、導入管２０１を介して燃料ガスが供給される。燃料マニホールド２００は、互いに間隔をあけて並ぶ複数の挿入孔２０２を有している。各挿入孔２０２は、燃料マニホールド２００の天板２０３に形成されている。各挿入孔２０２は、燃料マニホールド２００の内部空間と外部に連通する。

［燃料電池セル］
図２に示すように、各燃料電池セル３００は、燃料マニホールド２００から延びている。詳細には、各燃料電池セル３００は、燃料マニホールド２００の天板２０３から上方（ｘ軸方向）に延びている。すなわち、各燃料電池セル３００の長手方向（ｘ軸方向）は、上方に延びている。各燃料電池セル３００の長手方向（ｘ軸方向）の長さは、１００〜３００ｍｍ程度とすることができる。

各燃料電池セル３００の基端部は、燃料マニホールド２００の挿入孔２０２に挿入されている。各燃料電池セル３００は、接合材１０１によって挿入孔２０２に固定されている。燃料電池セル３００は、挿入孔２０２に挿入された状態で、接合材１０１によって燃料マニホールド２００に固定されている。接合材１０１は、燃料電池セル３００と挿入孔２０２の隙間に充填される。接合材１０１としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、及びセラミックスなどが挙げられる。結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスである。このような結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が挙げられる。

各燃料電池セル３００は、長手方向（ｘ軸方向）及び幅方向（ｙ軸方向）に広がる板状に形成されている。各燃料電池セル３００は、配列方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて配列されている。隣り合う２つの燃料電池セル３００の間隔は特に制限されないが、１〜５ｍｍ程度とすることができる。隣り合う２つの燃料電池セル３００は、第１集電部材３０１と第２集電部材３０２とによって電気的に接続されている。複数の燃料電池セル３００が第１集電部材３０１と第２集電部材３０２で接続されることによってセルスタックが形成されている。第１集電部材３０１と第２集電部材３０２の構成については後述する。

燃料電池セル３００は、複数の発電素子部１０と、支持基板２０とを備える。

［支持基板］
図４に示すように、支持基板２０は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に沿って延びる複数のガス流路２１を内部に有している。各ガス流路２１は、支持基板２０の基端側から先端側に向かって延びている。各ガス流路２１は、互いに実質的に平行に延びている。なお、基端側とは、ガス流路のガス供給側を意味する。具体的には、燃料マニホールド２００に燃料電池セル３００を取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００に近い側を意味する。また、先端側とは、ガス流路のガス供給側とは反対側を意味する。具体的には、燃料電池セル３００を燃料マニホールド２００に取り付けた場合において、その燃料マニホールド２００から遠い側を意味する。例えば、図２に示す例では、下側が基端側であり、上側が先端側となる。

図５に示すように、支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有する。本実施形態において、各第１凹部２２は、支持基板２０の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各第１凹部２２は支持基板２０の長手方向において互いに間隔をあけて配置されている。

支持基板２０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、支持基板２０は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板２０の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。

［発電素子部］
各発電素子部１０は、支持基板２０に支持されている。本実施形態において、各発電素子部１０は、支持基板２０の両主面に形成されているが、一方の主面にだけ形成されていてもよい。各発電素子部１０は、支持基板２０の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施形態に係る燃料電池セル３００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。長手方向に隣り合う発電素子部１０は、インターコネクタ３１によって互いに電気的に接続されている。

発電素子部１０は、燃料極４、電解質５、及び空気極６を有している。また、発電素子部１０は、反応防止膜７をさらに有している。

［燃料極］
燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極４は、燃料極集電部４１と燃料極活性部４２とを有する。

燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に配置されている。詳細には、燃料極集電部４１は、第１凹部２２内に充填されており、第１凹部２２と同様の外形を有する。燃料極集電部４１は、第２凹部４１１及び第３凹部４１２を有している。第２凹部４１１内には、燃料極活性部４２が配置されている。また、第３凹部４１２には、インターコネクタ３１が配置されている。

燃料極集電部４１は、電子伝導性を有する。燃料極集電部４１は、燃料極活性部４２よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。燃料極集電部４１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

燃料極集電部４１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部４１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部４１の厚さ、及び第１凹部２２の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部４２は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。燃料極活性部４２は、燃料極集電部４１よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、燃料極活性部４２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部４１における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

燃料極活性部４２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部４２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部４２の厚さは、５〜３０μｍである。

［電解質］
電解質５は、燃料極４上を覆うように配置されている。詳細には、電解質５は、あるインターコネクタ３１から隣のインターコネクタ３１まで長手方向に延びている。すなわち、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）において、電解質５とインターコネクタ３１とが交互に連続して配置されている。電解質５は、支持基板２０の第１主面２３ａ及び第２主面２３ｂを覆うように構成されている。

電解質５は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質５は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、電解質５は、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

［反応防止膜］
反応防止膜７は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜７は、電解質５と空気極活性部６１との間に配置されている。反応防止膜７は、電解質５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質５と空気極６との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。

反応防止膜７は、希土類元素を含むセリアを含んだ材料から構成されている。反応防止膜７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

［空気極］
空気極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極６は、電解質５を基準にして、燃料極４と反対側に配置されている。空気極６は、空気極活性部６１と空気極集電部６２とを有している。

空気極活性部６１は、反応防止膜７上に配置されている。空気極活性部６１は、酸素イオン伝導性を有するとともに、電子伝導性を有する。空気極活性部６１は、空気極集電部６２よりも酸素イオン伝導性を有する物質の含有率が大きい。詳細には、空気極活性部６１おける、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、空気極集電部６２における、気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きい。

空気極活性部６１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極活性部６１は、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、又は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。空気極活性部６１は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極活性部６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電部６２は、空気極活性部６１上に配置されている。また、空気極集電部６２は、空気極活性部６１から、隣の発電素子部に向かって延びている。燃料極集電部４１と空気極集電部６２とは、発電領域から互いに反対側に延びている。発電領域とは、燃料極活性部４２と電解質５と空気極活性部６１とが重複する領域である。

空気極集電部６２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電部６２は、空気極活性部６１よりも高い電子伝導性を有していることが好ましい。空気極集電部６２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。

空気極集電部６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、空気極集電部６２は、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、空気極集電部６２は、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電部６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［インターコネクタ］
インターコネクタ３１は、支持基板２０の長手方向（ｘ軸方向）に隣り合う発電素子部１０を電気的に接続するように構成されている。詳細には、一方の発電素子部１０の空気極集電部６２は、他方の発電素子部１０に向かって延びている。また、他方の発電素子部１０の燃料極集電部４１は、一方の発電素子部１０に向かって延びている。そして、インターコネクタ３１は、一方の発電素子部１０の空気極集電部６２と、他方の発電素子部１０の燃料極集電部４１とを電気的に接続している。インターコネクタ３１は、燃料極集電部４１の第３凹部４１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ３１は、第３凹部４１２内に埋設されている。

インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、インターコネクタ３１は、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［集電部材］
図６に示すように、隣接する２つの燃料電池セル３００（第１燃料電池セル３００ａ及び第２燃料電池セル３００ｂ）は、第１集電部材３０１と第２集電部材３０２によって電気的に接続される。第１集電部材３０１と第２集電部材３０２は、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの間に配置される。第１集電部材３０１と第２集電部材３０２は、支持基板２０の両主面に配置された複数の発電素子部１０のうち最も基端側に配置された基端側発電素子部１０ａよりも基端側に配置されている。

第１集電部材３０１と第２集電部材３０２それぞれは、第１燃料電池セル３００ａ及び第２燃料電池セル３００ｂそれぞれの基端側に接合される。詳細には、第１集電部材３０１と第２集電部材３０２それぞれは、接合材１０２を介して、第１燃料電池セル３００ａの基端側発電素子部１０ａから延びる空気極集電部６２と、第２燃料電池セル３００ｂの基端側発電素子部１０ａから延びる空気極集電部６２とに接合される。接合材１０２は、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）_３Ｏ_４、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３、及び（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３などから選ばれる少なくとも１種である。

ここで、図７は、第１集電部材３０１と第２集電部材３０２の斜視図である。図７では、第１集電部材３０１と第２集電部材３０２が第１燃料電池セル３００ａに接合された状態が示されている。図７では、第２燃料電池セル３００ｂが省略されているが、実際には第１燃料電池セル３００ａと対向するように第２燃料電池セル３００ｂが配置されている。

第１集電部材３０１と第２集電部材３０２それぞれは、短冊状の金属板（例えば、ステンレス板）を折り曲げ加工することによって形成される。第１集電部材３０１と第２集電部材３０２それぞれは、幅方向（ｙ軸方向）に沿って延びるように配置される。第１集電部材３０１と第２集電部材３０２それぞれは、第１集電部材３０１と第２集電部材３０２との隙間内に配置されており、当該隙間の外側に突出していない。

［第１集電部材］
図７に示すように、第１集電部材３０１は、第１接合部ａ１、第２接合部ａ２、及び第１連結部ｂ１を有する。

第１接合部ａ１は、第１燃料電池セル３００ａに接合される板状部材である。詳細には、第１接合部ａ１は、接合材１０２によって、第１燃料電池セル３００ａの基端側発電素子部１０ａ（図６参照）から延びる空気極集電部６２に接合される。第１接合部ａ１は、第２燃料電池セル３００ｂ（図７では不図示）と対向する。本実施形態において、第１接合部ａ１は、幅方向に沿って配置されているが、幅方向に対して傾斜していてもよい。また、本実施形態において、第１接合部ａ１は、矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。

第１接合部ａ１には、複数の貫通孔ｃ１が形成されている。各貫通孔ｃ１には、接合材１０２が充填されている。これによって、第１燃料電池セル３００ａに対する第１接合部ａ１の接合力を向上させることができる。接合材１０２は、各貫通孔ｃ１の外側にはみ出していてもよく、第１接合部ａ１の外表面上に広がっていてもよい。本実施形態において、各貫通孔ｃ１は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。また、本実施形態では、３個の貫通孔ｃ１が設けられているが、貫通孔ｃ１の個数は適宜変更可能である。

ここで、図８は、図７のＡ−Ａ断面図である。第１接合部ａ１は、第１主面Ｓａ１を有する。第１接合部ａ１の第１主面Ｓａ１は、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａ側を向いている。第１接合部ａ１の第１主面Ｓａ１は、第１燃料電池セル３００ａに接合材１０２を介して接合される。

接合強度を向上させる観点から、第１主面Ｓａ１側から見た第１接合部ａ１の面積Ａ１に対する、貫通孔ｃ１を画定する内壁面Ｓｃ１の面積Ａ２の割合Ａ２／Ａ１は、０．１以上であることが好ましい。第１接合部ａ１の製造上の観点から、上記割合Ａ２／Ａ１は、０．７以下であることが好ましい。なお、本実施形態のように第１接合部ａ１が複数の貫通孔ｃ１を有する場合、内壁面Ｓｃ１の面積Ａ２とは、各貫通孔ｃ１を画定する内壁面Ｓｃ１の面積の合計値を意味する。また、第１接合部ａ１の面積Ａ１とは、貫通孔ｃ１も含む面積である。例えば、本実施形態のように第１接合部ａ１が矩形状の場合、第１接合部ａ１の面積Ａ１は、第１接合部ａ１の高さに接第１接合部ａ１の幅を乗じることによって求められる。

第２接合部ａ２は、第２燃料電池セル３００ｂ（図７では不図示）に接合される。詳細には、第２接合部ａ２は、接合材１０２によって、第２燃料電池セル３００ｂの基端側発電素子部１０ａ（図６参照）から延びる空気極集電部６２に接合される。第２接合部ａ２は、第１燃料電池セル３００ａと対向する。本実施形態において、第２接合部ａ２は、幅方向に沿って配置されているが、幅方向に対して傾斜していてもよい。また、本実施形態において、第２接合部ａ２は、矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。

第２接合部ａ２には、複数の貫通孔ｃ２が形成されている。各貫通孔ｃ２には、接合材１０２が充填される。これによって、第２燃料電池セル３００ｂに対する第２接合部ａ２の接合力を向上させることができる。接合材１０２は、各貫通孔ｃ２の外側にはみ出していてもよく、第２接合部ａ２の外表面上に広がっていてもよい。本実施形態において、各貫通孔ｃ２は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。また、本実施形態では、３個の貫通孔ｃ２が設けられているが、貫通孔ｃ２の個数は適宜変更可能である。

なお、図示しないが、第１接合部ａ１の貫通孔ｃ１について説明したように、接合強度を向上させる観点から、主面側から見た第２接合部ａ２の面積に対する、貫通孔ｃ２を画定する内壁面の面積の割合は、０．１以上が好ましい。当該割合は、第２接合部ａ２の製造上の観点から、０．７以下が好ましい。

第１連結部ｂ１は、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂとの隙間に配置される。第１連結部ｂ１は、幅方向において、第１接合部ａ１と第２接合部ａ２との間に位置する。第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１のうち第２接合部ａ２側の端部と、第２接合部ａ２のうち第１接合部ａ１側の端部とに連なる。第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１及び第２接合部ａ２と一体的に形成されている。

第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１から第２接合部ａ２に向かって斜めに延びる。第１連結部ｂ１は、配列方向（ｚ軸方向）に対して傾斜している。そのため、第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１及び第２接合部ａ２それぞれに対して傾斜している。第１連結部ｂ１は、第１接合部ａ１及び第２接合部ａ２それぞれに対して鈍角を成している。従って、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの少なくとも一方が熱変形することによって、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの間隔が変動したとしても、その間隔変動に第１連結部ｂ１が追従することができる。従って、第１集電部材３０１の押圧力によって第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂにクラックが発生することを簡素な構成で抑制できる。

［第２集電部材］
図７に示すように、第２集電部材３０２は、長手方向（ｘ軸方向）において、第１集電部材３０１と隣接する。第２集電部材３０２は、第１集電部材３０１と同じ構成を有する。ただし、第２集電部材３０２は、配列方向（ｚ軸方向）に平行な仮想線ＶＬ周りに第１集電部材３０１を反転させた位置に配置されている。本実施形態において、第２集電部材３０２は、第１集電部材３０１の基端側（すなわち、マニホールド２００側）に配置されているが、第１集電部材３０１が第２集電部材３０２の基端側に配置されていてもよい。また、本実施形態において、第２集電部材３０２は、第１集電部材３０１に接触していないが、第１集電部材３０１に接触していてもよい。

このような第２集電部材３０２を設けることによって、第１集電部材３０１だけに電流が集中することを抑制できるため、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの間における電力損失を低減することができる。

図７に示すように、第２集電部材３０２は、第３接合部ａ３、第４接合部ａ４、及び第２連結部ｂ２を有する。

第３接合部ａ３は、第１燃料電池セル３００ａに接合される。詳細には、第３接合部ａ３は、接合材１０２によって、第１燃料電池セル３００ａの基端側発電素子部１０ａ（図６参照）から延びる空気極集電部６２に接合される。第３接合部ａ３は、第２燃料電池セル３００ｂ（図７では不図示）と対向する。本実施形態において、第３接合部ａ３は、幅方向に沿って配置されているが、幅方向に対して傾斜していてもよい。また、本実施形態において、第３接合部ａ３は、矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。

第３接合部ａ３には、複数の貫通孔ｃ３が形成されている。各貫通孔ｃ３には、接合材１０２が充填されている。これによって、第１燃料電池セル３００ａに対する第３接合部ａ３の接合力を向上させることができる。接合材１０２は、各貫通孔ｃ３の外側にはみ出していてもよく、第３接合部ａ３の外表面上に広がっていてもよい。本実施形態において、各貫通孔ｃ３は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。また、本実施形態では、３個の貫通孔ｃ３が設けられているが、貫通孔ｃ３の個数は適宜変更可能である。

なお、図示しないが、第１接合部ａ１の貫通孔ｃ１について説明したように、接合強度を向上させる観点から、主面側から見た第３接合部ａ３の面積に対する、貫通孔ｃ３を画定する内壁面の面積の割合は、０．１以上が好ましい。当該割合は、第３接合部ａ３の製造上の観点から、０．７以下が好ましい。

第４接合部ａ４は、第２燃料電池セル３００ｂ（図７では不図示）に接合される。詳細には、第４接合部ａ４は、接合材１０２によって、第２燃料電池セル３００ｂの基端側発電素子部１０ａ（図６参照）から延びる空気極集電部６２に接合される。第４接合部ａ４は、第１燃料電池セル３００ａと対向する。本実施形態において、第４接合部ａ４は、幅方向に沿って配置されているが、幅方向に対して傾斜していてもよい。また、本実施形態において、第４接合部ａ４は、矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。

第４接合部ａ４には、複数の貫通孔ｃ４が形成されている。各貫通孔ｃ４には、接合材１０２が充填される。これによって、第２燃料電池セル３００ｂに対する第４接合部ａ４の接合力を向上させることができる。接合材１０２は、各貫通孔ｃ４の外側にはみ出していてもよく、第４接合部ａ４の外表面上に広がっていてもよい。本実施形態において、各貫通孔ｃ４は、幅方向に沿って延びる矩形状に形成されているが、円形、楕円形、三角形、正方形、五角以上の多角形、又は、これら以外の複雑な形状に形成されていてもよい。また、本実施形態では、３個の貫通孔ｃ４が設けられているが、貫通孔ｃ４の個数は適宜変更可能である。

なお、図示しないが、第１接合部ａ１の貫通孔ｃ１について説明したように、接合強度を向上させる観点から、主面側から見た第４接合部ａ４の面積に対する、貫通孔ｃ４を画定する内壁面の面積の割合は、０．１以上が好ましい。当該割合は、第４接合部ａ４の製造上の観点から、０．７以下が好ましい。

第２連結部ｂ２は、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂとの隙間に配置される。第２連結部ｂ２は、幅方向において、第３接合部ａ３と第４接合部ａ４との間に位置する。第２連結部ｂ２は、第３接合部ａ３のうち第４接合部ａ４側の端部と、第４接合部ａ４のうち第３接合部ａ３側の端部とに連なる。第２連結部ｂ２は、第３接合部ａ３及び第４接合部ａ４と一体的に形成されている。

第２連結部ｂ２は、第３接合部ａ３から第４接合部ａ４に向かって斜めに延びる。第２連結部ｂ２は、配列方向（ｚ軸方向）に対して傾斜している。そのため、第２連結部ｂ２は、第３接合部ａ３及び第４接合部ａ４それぞれに対して傾斜している。第２連結部ｂ２は、第３接合部ａ３及び第４接合部ａ４それぞれに対して鈍角を成している。従って、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの少なくとも一方が熱変形することによって、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂの間隔が変動したとしても、その間隔変動に第２連結部ｂ２が追従することができる。従って、第２集電部材３０２の押圧力によって第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂにクラックが発生することを簡素な構造で抑制できる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

変形例１
上記実施形態では、本発明に係る第１集電部材３０１と第２集電部材３０２を横縞型の燃料電池セルに適用した場合について説明したが、いわゆる縦縞型の燃料電池セルなどにも適用することができる。縦縞型の燃料電池セルは、絶縁性の支持基板と、支持基板の一主面上に配置される発電部（燃料極、固体電解質層及び空気極）と、支持基板の他主面上に配置されるインターコネクタとを備える。

変形例２
上記実施形態では、隣接する２つの燃料電池セル３００（第１燃料電池セル３００ａ及び第２燃料電池セル３００ｂ）を２つの集電部材（第１集電部材３０１及び第２集電部材３０２）によって接続することとしたが、隣接する２つの燃料電池セル３００（第１燃料電池セル３００ａ及び第２燃料電池セル３００ｂ）を１つの集電部材（第１集電部材３０１又は第２集電部材３０２）によって接続することとしてもよい。

変形例３
上記実施形態において、第１集電部材３０１の第１接合部ａ１は、複数の貫通孔ｃ１を有することとしたが、貫通孔ｃ１を１つだけ有していてもよいし、貫通孔ｃ１を有していなくてもよい。同様に、第１集電部材３０１の第２接合部ａ２は、複数の貫通孔ｃ２を有することとしたが、貫通孔ｃ２を１つだけ有していてもよいし、貫通孔ｃ２を有していなくてもよい。

変形例４
上記実施形態において、第２集電部材３０２の第３接合部ａ３は、複数の貫通孔ｃ３を有することとしたが、貫通孔ｃ３を１つだけ有していてもよいし、貫通孔ｃ３を有していなくてもよい。同様に、第２集電部材３０２の第４接合部ａ４は、複数の貫通孔ｃ４を有することとしたが、貫通孔ｃ４を１つだけ有していてもよいし、貫通孔ｃ４を有していなくてもよい。

変形例５
上記実施形態において、第１集電部材３０１の第１連結部ｂ１は、無孔板状に形成されることとしたが、図９及び図１０に示すように、１つ以上の貫通孔ｃ５を有していてもよい。これによって、第１連結部ｂ１の可撓性を向上させることができるため、第１燃料電池セル３００ａと第２燃料電池セル３００ｂにクラックが発生することをより抑制できる。なお、図９及び図１０では、貫通孔ｃ５が貫通孔ｃ１及び貫通孔ｃ２に連なるように形成されているが、貫通孔ｃ１及び貫通孔ｃ２に連なっていなくてもよい。同様に、第２集電部材３０２の第２連結部ｂ２においても、１つ以上の貫通孔が形成されていてもよい。

変形例６
上記実施形態では特に触れていないが、第１集電部材３０１の第１接合部ａ１は、図１１に示す構成とすることができる。図１１は、図７のＢ−Ｂ断面図である。

図１１に示すように、第１集電部材３０１の第１接合部ａ１は、接合材１０２を介して、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに接合される。第１接合部ａ１は、基材３０１Ｘと酸化クロム膜３０１Ｙとを有する。

基材３０１Ｘは、板状に形成される。基材３０１Ｘの厚みは特に制限されないが、例えば０．１〜４．０ｍｍとすることができる。

基材３０１Ｘは、Ｃｒ（クロム）を含有する合金によって構成される。このような合金としては、Ｆｅ−Ｃｒ系合金鋼（ステンレス鋼など）、又はＮｉ−Ｃｒ系合金鋼などを用いることができる。基材３０１ＸにおけるＣｒの含有割合は特に制限されないが、例えば４〜３０質量％とすることができる。

基材３０１Ｘは、Ｔｉ（チタン）やＡｌ（アルミニウム）を含有していてもよい。基材３０１ＸにおけるＴｉの含有割合は特に制限されないが、例えば０．０１〜１．０ａｔ．％とすることができる。基材３０１ＸにおけるＡｌの含有割合は特に制限されないが、例えば０．０１〜０．４ａｔ．％とすることができる。基材３０１Ｘは、ＴｉをＴｉＯ_２（チタニア）として含有していてもよいし、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）として含有していてもよい。

酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘ上に形成される。酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆う。酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘの表面全体を覆っていることが好ましいが、基材３０１Ｘの表面を部分的に覆っていなくてもよい。酸化クロム膜３０１Ｙの厚みは特に制限されないが、例えば１μｍ〜２０μｍとすることができる。

酸化クロム膜３０１Ｙは、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を主成分として含む。具体的には、酸化クロム膜３０１Ｙは、酸化クロムを５０ｗｔ％以上含む。酸化クロム膜３０１Ｙは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｓｉなどを不純物として含有していてもよい。酸化クロム膜３０１Ｙは、ＲＦ（radio-frequency）マグネトロンスパッタ装置を用いてＣｒターゲットをＡｒスパッタリングし、反応ガス（例えば、酸素）との反応により酸化物を成膜することによって形成することができる。

図１１に示すように、第１集電部材３０１は、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに垂直な断面において、第１面Ｙ１、第２面Ｙ２及び角部Ｙ３を含む。

第１面Ｙ１は、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに対して角度を有する。すなわち、第１面Ｙ１は、外表面Ｔａと平行ではなく、外表面Ｔａに対して傾斜している。第１面Ｙ１は、角部Ｙ３側に向かうほど外表面Ｔａに近づく。外表面Ｔａに対する第１面Ｙ１の角度θ１は特に制限されないが、例えば０．５度〜４５度とすることができる。なお、図１１に示す例では、第１面Ｙ１が平坦に形成されているが、実際には微小な凹凸が形成されていてもよい。

第１面Ｙ１において、酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆っていることが好ましい。第１面Ｙ１に形成された酸化クロム膜３０１Ｙの厚みは、角部Ｙ３に近づくほど厚く形成されていてもよい。

第２面Ｙ２は、第１面Ｙ１に連なる。第２面Ｙ２は、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに対して角度を有する。すなわち、第２面Ｙ２は、外表面Ｔａと平行ではなく、外表面Ｔａに対して傾斜している。第２面Ｙ２は、角部Ｙ３側に向かうほど外表面Ｔａに近づく。外表面Ｔａに対する第２面Ｙ２の角度θ２は特に制限されないが、例えば４５度〜１３５度とすることができる。

また、第２面Ｙ２は、第１面Ｙ１に対して角度を有する。すなわち、第２面Ｙ２は、第１面Ｙ１と平行ではなく、第１面Ｙ１に対して傾斜している。第１面Ｙ１に対する第２面Ｙ２の角度θ３は特に制限されないが、例えば３０度〜１３５度とすることができる。なお、図１１に示す例では、第２面Ｙ２が平坦に形成されているが、実際には微小な凹凸が形成されていてもよい。

第２面Ｙ２において、酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆っていることが好ましい。第２面Ｙ２に形成された酸化クロム膜３０１Ｙの厚みは、角部Ｙ３に近づくほど厚く形成されていてもよい。

角部Ｙ３は、第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって形成される。本実施形態において、「第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって形成される」とは、“第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって規定される”、“第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とによって区画される”、及び“第１面Ｙ１と第２面Ｙ２との間に設けられる”のうち少なくとも１つを意味する。

角部Ｙ３は、第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とが屈曲するように連なることで形成されていてもよいし、第１面Ｙ１と第２面Ｙ２とが他の１以上の面（湾曲面又は屈曲面）を介して連なることで形成されていてもよい。

角部Ｙ３において、酸化クロム膜３０１Ｙは、基材３０１Ｘを覆っていることが好ましい。角部Ｙ３に形成された酸化クロム膜３０１Ｙは、角部Ｙ３周辺において他の部分よりも厚く形成されていてもよい。

角部Ｙ３は、第１面Ｙ１及び第２面Ｙ２それぞれよりも第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに近接している。本変形例において、角部Ｙ３は、第１集電部材３０１のうち、第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに最も近接する部位である。角部Ｙ３から外表面Ｔａまでの距離Ｄは特に制限されないが、０．５〜２０００μｍとすることができる。

第１燃料電池セル３００ａから第１集電部材３０１に流れる電流、又は、第１集電部材３０１から第１燃料電池セル３００ａに流れる電流は、第１集電部材３０１のうち第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａに近接する角部Ｙ３に集中する。角部Ｙ３に電流が集中すると、角部Ｙ３に形成された酸化クロム膜３０１Ｙの温度が上昇して、酸化クロム膜３０１Ｙの電気抵抗が低下する。その結果、第１燃料電池セル３００ａから第１集電部材３０１へ、又は、第１集電部材３０１から第１燃料電池セル３００ａへスムーズに電流を流すことができるため、第１燃料電池セル３００ａと第１集電部材３０との電気的接続性を向上させることができる。

また、角部Ｙ３を形成する第１面Ｙ１及び第２面Ｙ２のそれぞれが外表面Ｔａに対して角度を有しているため、角部Ｙ３を接合材１０２に挿入した際に、接合材１０２中の気泡を角部Ｙ３周辺から排除することができる。その結果、第１燃料電池セル３００ａと第１集電部材３０１との電気的接続性を更に向上させることができる。

以上、第１集電部材３０１の第１接合部ａ１の構成の変形例について説明したが、このような構成は、第１集電部材３０１の第２接合部ａ２、第２集電部材３０２の第３接合部ａ３及び第２集電部材３０２の第４接合部ａ４にも適用することができる。

以下に実施例を示して、集電部材の接合部に形成される貫通孔の好適なサイズについて具体的に説明する。なお、本発明は、下記実施例に限定されるものではない。

図７及び図８に示すような構成の第１集電部材３０１を複数作製した。ただし、第１接合部ａ１の面積Ａ１に対する、貫通孔ｃ１を画定する内壁面Ｓｃ１の面積Ａ２の割合Ａ２／Ａ１を、第１集電部材３０１ごとに変更した。各第１集電部材３０１の第１接合部ａ１の面積Ａ１、複数の貫通孔ｃ１の内壁面Ｓｃ１の面積の合計値Ａ２、及び割合Ａ２／Ａ１は、表１の通りである。

以上のように作製した各第１集電部材３０１を、接合材１０２を介して、第１燃料電池セル３００ａの空気極集電部６２に接合した。そして、熱処理によって、接合材１０２を固化させた。このときの熱処理温度は、９００℃、熱処理時間は１ｈｒとした。

接合材１０２は、図８に示すように、第１接合部ａ１の第１主面Ｓａ１と第１燃料電池セル３００ａの外表面Ｔａとの間、及び各貫通孔ｃ１内に充填されている。なお、接合材１０２は、第１接合部ａ１の外表面上にはみ出していない。接合材１０２、第１集電部材３０１及び空気極集電部６２の材料は、表１の通りであり、第１集電部材の材料はＳＵＳ４４５Ｊ１（Ｃｒ含有量２２ｗｔ．％）、ＳＵＳ４３０（Ｃｒ含有量１６ｗｔ．％）を用いた。その他の条件は、各サンプルともに基本的に同じ条件とした。

（評価方法）
以上のように作製された各サンプル１〜２６に対して、熱サイクル試験を行った。具体的には、まず、常温から８００℃まで昇温速度３００℃／ｈｒで昇温した後、８００℃で２ｈｒ維持し、３００℃／ｈｒで５０℃まで降温するサイクルを２０回繰り返した。

その後、各サンプルにおける剥離の有無を確認した。具体的には、第１接合部ａ１と接合材１０２との間で剥離が生じているか否かを光学顕微鏡で観察を行い確認した。

以上の結果を評価として表１に示している。表１における評価「○」は、熱サイクル試験によって剥離が生じなかったことを意味する。また、表１における評価「△」とは熱サイクル試験によって剥離が生じたことを意味する。

表１に示すように、第１主面Ｓａ１側から見た第１接合部ａ１の面積Ａ１に対する、貫通孔ｃ１を画定する内壁面Ｓｃ１の面積Ａ２の割合Ａ２／Ａ１を０．１以上とすることにより、第１接合部ａ１と接合材１０２との間の剥離を抑制できることが分かった。

１００ セルスタック
１０２ 接合材
２００ 燃料マニホールド
３００ 燃料電池セル
３００ａ 第１燃料電池セル
３００ｂ 第２燃料電池セル
３０１ 第１集電部材
ａ１ 第１接合部
ａ２ 第２接合部
ｂ１ 第１連結部
ｃ１，ｃ２ 貫通孔
３０２ 第２集電部材
ａ３ 第３接合部
ａ４ 第４接合部
ｂ２ 第２連結部
ｃ３，ｃ４ 貫通孔

Claims (8)

1. 第１燃料電池セルと、
   前記第１燃料電池セルに隣接する第２燃料電池セルと、
   前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルの間に配置され、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとを電気的に接続する第１集電部材と、
   を備え、
   前記第１集電部材は、
   前記第１燃料電池セルに接合され、前記第２燃料電池セルと対向する第１接合部と、
   前記第２燃料電池セルに接合され、前記第１燃料電池セルと対向する第２接合部と、
   前記第１接合部のうち前記第２接合部側の端部と前記第２接合部のうち前記第１接合部側の端部とに連なり、前記第１接合部及び前記第２接合部それぞれに対して傾斜する第１連結部と、
   を有し、
   前記第１接合部は、接合材を介して前記第１燃料電池セルに接合され、
   前記第１接合部は、前記接合材が充填される貫通孔を有し、
   前記第１接合部は、前記接合材を介して前記第１燃料電池セルに接合される主面を有し、
   前記主面側から見た前記第１接合部の面積に対する、前記貫通孔を画定する内壁面の面積の割合は、０．１以上である、
   セルスタック。
2. 第１燃料電池セルと、
   前記第１燃料電池セルに隣接する第２燃料電池セルと、
   前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルの間に配置され、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとを電気的に接続する第１集電部材と、
   を備え、
   前記第１集電部材は、
   前記第１燃料電池セルに接合され、前記第２燃料電池セルと対向する第１接合部と、
   前記第２燃料電池セルに接合され、前記第１燃料電池セルと対向する第２接合部と、
   前記第１接合部のうち前記第２接合部側の端部と前記第２接合部のうち前記第１接合部側の端部とに連なり、前記第１接合部及び前記第２接合部それぞれに対して傾斜する第１連結部と、
   を有し、
   前記第１接合部は、接合材を介して前記第１燃料電池セルに接合されており、
   前記第１接合部は、Ｃｒを含む合金によって構成される基材と、前記基材を覆う酸化クロム膜とを有し、
   前記第１燃料電池セルの外表面に垂直な断面において、前記第１接合部は、前記外表面に対して角度を有する第１面と、前記外表面に対して角度を有する第２面と、前記第１面と前記第２面とによって形成される角部とを含み、
   前記角部は、前記第１面及び前記第２面それぞれよりも前記外表面に近接している、
   セルスタック。
3. 前記第２接合部は、接合材を介して前記第２燃料電池セルに接合されており、
   前記第２接合部は、前記接合材が充填される貫通孔を有する、
   請求項１又は２に記載のセルスタック。
4. 前記第１連結部は、貫通孔を有する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のセルスタック。
5. 第１燃料電池セルと、
   前記第１燃料電池セルに隣接する第２燃料電池セルと、
   前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルの間に配置され、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとを電気的に接続する第１集電部材と、
   前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルの間に配置され、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとを電気的に接続する第２集電部材と、
   を備え、
   前記第１集電部材は、
   前記第１燃料電池セルに接合され、前記第２燃料電池セルと対向する第１接合部と、
   前記第２燃料電池セルに接合され、前記第１燃料電池セルと対向する第２接合部と、
   前記第１接合部のうち前記第２接合部側の端部と前記第２接合部のうち前記第１接合部側の端部とに連なり、前記第１接合部及び前記第２接合部それぞれに対して傾斜する第１連結部と、
   を有し、
   前記第２集電部材は、
   前記第１燃料電池セルに接合され、前記第２燃料電池セルと対向する第３接合部と、
   前記第２燃料電池セルに接合され、前記第１燃料電池セルと対向する第４接合部と、
   前記第３接合部のうち前記第４接合部側の端部と前記第４接合部のうち前記第３接合部側の端部とに連なる第２連結部と、
   を有し、
   前記第２集電部材は、前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルの配列方向に平行な仮想線周りに前記第１集電部材を反転させた位置に配置されている、
   セルスタック。
6. 前記第３接合部は、接合材を介して前記第１燃料電池セルに接合されており、
   前記第３接合部は、前記接合材が充填される貫通孔を有する、
   請求項５に記載のセルスタック。
7. 前記第４接合部は、接合材を介して前記第２燃料電池セルに接合されており、
   前記第４接合部は、前記接合材が充填される貫通孔を有する、
   請求項５又は６に記載のセルスタック。
8. 前記第２連結部は、貫通孔を有する、
   請求項５乃至７のいずれかに記載のセルスタック。

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