JP6873820B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、燃料電池モジュールに関する。

次世代発電システムとして、水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池モジュールが知られている。この燃料電池モジュールでは、固体酸化物燃料電池セルが複数積層され、セルスタックとして収納容器内に収納されている。セルスタックの電極端子には、集電構造体であるブスバーが電気的に接続され、ブスバーを介してセルスタックの発電電力が収納容器外に供給されている。また、一般的には、この固体酸化物燃料電池セルは、セラミックで構成されている。

この収納容器とブスバーとの隙間は、絶縁材部で密閉されている。絶縁材部による密閉が不十分であると、収納容器の外部に一酸化炭素（ＣＯ）ガスなどが漏れてしまう可能性がある。このため、収納容器とブスバーとの隙間を十分に密閉するために、ブスバーは、収納容器の収納壁に固定されている。また、絶縁材部には、高温でも絶縁性能が高いセラミックが用いられている。

しかし、高温で動作するセルスタックと燃料電池モジュールの各構成部材との間には、熱膨張差がある。このため、ブスバーを介してセルスタック及び絶縁材部に熱応力がかかり、セルスタック及び絶縁材部が劣化してしまう恐れがある。

特開２０１２−９９３０９号公報

本発明が解決しようとする課題は、熱応力による劣化を低減可能な燃料電池モジュールを提供することである。

本実施形態に係る燃料電池モジュールは、酸素含有ガスと水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池セルが複数積層されるセルスタックと、前記セルスタックを収納壁で囲われた空間内に収納する収納容器と、一端が前記セルスタックの電極端子に電気的に接続され、他端が前記収納容器の外部に位置するブスバーであって、前記一端と前記他端との間における前記収納容器内にばね機構部を有するブスバーと、前記ブスバーと前記収納容器との隙間を絶縁した状態で密閉すると共に、前記ブスバーを前記収納壁に固定する絶縁材部と、を備える。

本発明により、燃料電池モジュールの熱応力による劣化を低減できる。

第１実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を示す図。 つるまきばねを示す図。 ２つのＵ字部を下に備えるばね機構部を示す図。 Ｕ字部を上と下にそれぞれ備えるばね機構部を示す図。 第２実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を示す図。 第３実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を示す断面模式図。 フランジ部を更に有する絶縁材部の断面模式図。 第１絶縁材部が円盤部更に有する絶縁材部の例を示す断面模式図。 第４実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を示す図。 内側ブスバーが先細りしているＵ字状の形状ばねを有している例を示す図。 第５実施形態に係る燃料電池モジュールの構成を示す図。 図１２は、絶縁材部４００の構成部品を示す図。 図１３は、図１２に示す構成部品を組み立てた状態の断面模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る燃料電池モジュールは、ブスバーが有するばね機構部が、燃料電池モジュール内の熱膨張差により生じる熱応力をばね反力に変換することで、燃料電池モジュールの熱応力による劣化の低減を図ったものである。より詳しく、以下に説明する。

図１に基づき第１実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す図である。この図１に示すように、燃料電池モジュール１は、水素含有ガスと酸素含有ガス（空気）とを用いて発電する。より具体的には、燃料電池モジュール１は、セルスタック１００と、収納容器２００と、ブスバー３００と、絶縁材部４００とを、備えて構成されている。

セルスタック１００は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを用いて発電する燃料電池セル１０２を複数積層して構成されている。また、セルスタック１００の両端部には、燃料電池セル１０２の発電により生じた電流を外部に供給する電極端子１０４が配置されている。

燃料電池セル１０２は、例えば固体酸化物燃料電池セルであり、主に酸化物イオン（Ｏ_２ ⁻）を通す電解質を介して電気化学的反応により発電する。より具体的には、固体酸化物燃料電池セルのアノード側には燃料ガスとして水素含有ガスが供給され、カソード側には酸化剤として酸素含有ガスが供給される。これにより、以下の化学式１に示す反応により発電する。固体酸化物燃料電池セルは、酸化物イオンの伝導性を高めるために、６００℃〜１０００℃の高温で動作する。このため、電極反応が速くなり、固体酸化物燃料電池セルの電極材料として、貴金属を必ずしも用いる必要がなくなる。

固体酸化物燃料電池セルは、一般的に温度が高いほど、電流密度に対するセル電圧が高くなり、発電性能が向上する。また、固体酸化物燃料電池セルは、セラミックで構成される。このセラミックは、６００℃〜１０００℃の高温において、フェライト系のＳＵＳ（ＳＵＳ：Steel Special Use Stainless）材料なみの熱膨張率を有する場合もある。

（化学式１）
燃料極反応：Ｈ_２ ＋ Ｏ^２−→ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ−
ＣＯ ＋ Ｏ^２− → ＣＯ_２ ＋ ２ｅ−
酸化剤極反応：Ｏ_２＋ ４ｅ− → ２Ｏ^２−
収納容器２００は、セルスタック１００を収納する。収納容器２００には、セルスタック１００に水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給管２０２と、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管２０４とが接続されている。また、収納容器２００は、収納壁２０６で構成され、収納壁２０６で囲まれた空間内にセルスタック１００を収納する。収納壁２０６は、１００〜６００℃の高温となるため、例えば、耐酸化性の良いＳＵＳ材料で構成されている。

また、収納容器２００から水素含有ガスもしくは酸素含有ガスが漏れると、燃料電池モジュール１の性能が低下してしまう恐れがある。また、水素含有ガスに含まれる可燃ガスや一酸化炭素（ＣＯ）ガスが漏れると、有害となってしまう恐れがある。このため、収納容器２００は、シール（気密）されている。

ブスバー３００は、一端３０２がセルスタック１００の電極端子１０４に電気的に接続され、他端３０４が収納容の収納壁２０６の貫通穴を介して収納容器２００の外部に配置される。このように、ブスバー３００は、セルスタック１００の両端部に配置される電極端子１０４に接続され、燃料電池セル１０２の発電により生じた電流を収集し、外部に給電する。ブスバー３００は、例えば高温での耐酸化性があるＳＵＳ材料で構成される。このＳＵＳ材料には、熱膨張率が低く、絶縁材との間に熱膨張差による熱応力が発生しにくい、フェライト系のＳＵＳ４３０、ＺＭＧなどが用いられる。

また、ブスバー３００は、収納容器２００内にばね機構部３０６を有する。図１に示すように、ブスバー３００は、例えばブスバー３００の突き出し方向、及び、ばね機構部３０６の伸縮方向が、セルの積層方向と一致するように構成されている。すなわち、ばね機構部３０６の伸縮方向は、ブスバーの一端３０２と他端３０４とを結ぶ方向である。ばね機構部３０６の詳細な構成は後述する。

絶縁材部４００は、収納容器２００とブスバー３００との隙間を絶縁した状態で密閉すると共に、ブスバー３００を収納容器２００の収納壁２０６に固定する。絶縁材部４００の材料は、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニアなどのセラミック、及び耐熱性のシリコーンなどである。

図２乃至図４に基づいて、ばね機構部３０６の詳細な構成を説明する。図２は、つるまきばねを示す図である。図３は、２つのＵ字部を下に備えるばね機構部３０６を示す図である。図４は、Ｕ字部を上と下にそれぞれ備えるばね機構部３０６を示す図である。

これらの図２乃至図４に示すように、ばね機構部３０６は、金属弾性体の復元力、すなわちばねの復元力を用いる。この図２に示すように、ばね機構部３０６は、つるまきばね、つまりスパイラル状にされた金属ばねにより構成される。また、図３及び図４に示すように、ばね機構部３０６は、金属を複数回折り曲げられたばねにより構成される。

（作用）
セルスタック１００は、発電すると共に、収納容器２００の真ん中に位置するため、燃料電池モジュール１内で最も高温になる。一方で、収納容器２００は、外気に最も近くに位置するため比較的低温となる。このため、セルスタック１００と収納容器２００との間には、温度差によって熱膨張差が発生する。収納容器２００の材料をＳＵＳ材料の中で熱膨張係数の大きなオーステナイト系の材料を用いても、熱膨張差が発生してしまう。また、ブスバー３００も熱膨張する。ブスバー３００のばね機構部３０６は、その伸縮性により、これらを組み合わせた熱膨張差を吸収する。すなわち、ブスバー３００のばね機構部３０６は、熱膨張差により生じる熱応力を、熱応力よりも小さなばねの反発力に変換する。

なお、電極端子１０４とブスバー３００を一体的に構成してもよい。この場合、一体的に構成された電極端子１０４及びブスバー３００は、電極端子と呼ばれる場合がある。

（効果）
第１実施形態に係る燃料電池モジュール１は、ブスバー３００が収納容器２００内にばね機構部３０６を有することとした。これにより、ブスバー３００のばね機構部３０６が、熱膨張差により生じる熱応力を、ばね反力に変換可能である。ばね反力は熱応力よりも小さいので、セルスタック１００にかかる熱応力は、ばね機構部３０６を介さずに両端固定となった場合の熱応力よりも小さくなる。これにより、セルスタック１００の破損などが抑制され、セルスタック１００の熱応力による劣化を低減可能である。

また、収納容器２００とブスバー３００に介在する絶縁材部４００にかかる熱応力も、ばね機構部３０６のより小さなばね反力に変換されるので、絶縁材部４００の熱応力による劣化を低減可能である。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る燃料電池モジュールは、ばね機構部における開脚部分の隙間が次第に狭まる先細りのＵ字状の形状を有するばねが、燃料電池モジュール内の熱膨張差により生じる熱応力をより小さなばね反力に変換することで、燃料電池モジュールの熱応力による劣化の低減を図ったものである。より詳しく、以下に説明する。

図５は、第２実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す図であり、この図５に基づき第２実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を説明する。第２実施形態に係る燃料電池モジュール１におけるばね機構部３０６の構成が、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１におけるばね機構部３０６の構成と相違する。第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と相違する点を説明し、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と同等の構成には、同等の番号を付して説明を省略する。

図５に示すように、ばね機構部３０６は、Ｕ字状の形状を有するばねで構成される。このＵ字形状は、Ｕ字形状の開脚部分の隙間が次第に狭まる先細り状になっている。すなわち、Ｕ字形ばねのＵ字形を形成する板状材間の間隔が、下側における間隔Ｄ１から上側における隙間Ｄ２に向かうに従い短くなる。隙間が先細り状になっているＵ字形ばねのばね反力は、隙間が先細り状になっていないＵ字形ばねのばね反力よりも小さくなる。

（作用）
先細りしているＵ字状の形状を有するばねは、先細りしていないＵ字状の形状ばねと比較して、熱応力をより小さなばね反力に変換できる。このため、収納容器２００とセルスタック１００との間に生じた熱膨張差をより小さなばね反力として吸収可能である。先細りしているＵ字状の形状を有するばねは、安価に入手できる板状の材料を用いると共に、加工が容易である。このため、製造コストも抑制可能である。

（効果）
第２実施形態に係る燃料電池モジュール１は、ばね機構部３０６に開脚部分の隙間が次第に狭まる先細りのＵ字状の形状ばねを用いることとした。これにより、熱応力をより小さなばね反力に変換可能である。このため、セルスタック１００及び絶縁材にかかる熱応力は、先細りしていないＵ字状の形状ばねを用いる場合の熱応力よりも小さくなり、セルスタック１００及び絶縁材の熱応力による劣化をより低減可能である。また、先細りしているＵ字状の形状ばねは、加工が簡単な形状であり、安価に入手できる板状の材料を利用できる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る燃料電池モジュールは、くさびを第１絶縁材部のガイド穴部とブスバーとの隙間に配置し、ブスバーと接している第１絶縁材部と、ブスバーと接している第２絶縁材部との間の熱変動を抑制することで、燃料電池モジュールの熱応力による劣化の低減を図ったものである。より詳しく、以下に説明する。

図６は、第３実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す断面模式図であり、この図６に基づき第３実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を説明する。第３実施形態に係る燃料電池モジュール１における絶縁材部４００の構成が、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１における絶縁材部４００の構成と相違する。第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と相違する点を説明し、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と同等の構成には、同等の番号を付して説明を省略する。

図６に示すように、絶縁材部４００は、収納容器２００とブスバー３００との隙間を絶縁した状態で密閉すると共に、ブスバー３００を収納容器２００の収納壁２０６に固定する。すなわち、絶縁材部４００は、第１絶縁材部４０２と、くさび４０４、第２絶縁材部４０６とを備えて構成されている。

第１絶縁材部４０２は、円柱状の形状で有り、内部にブスバー３００を通すガイド穴部が構成されている。第１絶縁材部４０２は、例えば絶縁がいしである。第１絶縁材部４０２の材料は、ガラス、アルミナ、シリカ、ジルコニアなどのセラミック、及び耐熱性のシリコーンなどである。

くさび４０４は、一方の端部を厚く、他方の端部に向かって次第に薄くなる形状をしている。くさび４０４は、例えば三角形状の金属で構成されている。くさび４０４は、第１絶縁材部４０２のガイド穴部とブスバー３００との隙間に、配置される。

第２絶縁材部４０６は、第１絶縁材部４０２とブスバー３００との隙間、第１絶縁材部４０２と収納容器２００との間の隙間を封止している。第２絶縁材部４０６は、例えばシール剤である。なお、第２絶縁材部４０６を有することにより、くさび４０４が無い状態でも、くさび４０４がある状態と同等のシール性、及び絶縁性を有している。

図7に基づき、フランジ部４０８を更に有する絶縁材部４００の例を説明する。図７は、フランジ部４０８を更に有する絶縁材部４００の構成例を示す断面模式図である。この図７に示すように、絶縁材部４００は、第１絶縁材部４０２と、くさび４０４と、第２絶縁材部４０６と、フランジ部４０８と、第３絶縁材部４１０とを備えて構成されている。図６で示す絶縁材部４００と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

フランジ部４０８は、円筒部４１２と、円盤部４１４とを有して構成されている。円筒部４１２と円盤部４１４は全周溶接によって接続され、固定シールされている。溶接を無くして、円筒部４１２と円盤部４１４は一つの部品として成形し、コスト低減しても良い。円筒部４１２の内部には、第１絶縁材部４０２が組み込まれている。また、円盤部４１４は、収納容器２００の収納壁２０６にねじ４１６で、ねじ止めされる。

第３絶縁材部４１０は、フランジ形状部の円盤部４１４と収納容器２００の収納壁２０６との間に配置されている。第３絶縁材部４１０は、例えば、シール材である。この図７で示すように、フランジ形状部の円盤部４１４を収納容器２００の収納壁２０６にネジ止めする事により、第３絶縁材部４１０でフランジ形状部と収納容器２００との隙間を気密にしている。

図８は、第１絶縁材部４０２が円盤部４２０を更に有する例を示す断面模式図であり、この図８に基づき、第１絶縁材部４０２が円盤部４２０を更に有する例を説明する。

この図８に示すように、絶縁材部４００は、第１絶縁材部４０２と、くさび４０４、第２絶縁材部４０６と、第３絶縁材部４１０とを備えて構成されている。図６で示す絶縁材部４００と同等の構成には同一の番号を付して説明を省略する。

第１絶縁材部４０２は、円柱状の形状部４１８と、円盤部４２０とを有して構成されている。円柱状の形状部４１８は、内部にブスバー３００を通すガイド穴部が構成されている。また、円盤部４２０は、収納容器２００の収納壁２０６にねじ止めされる。

第３絶縁材部４１０は、第１絶縁材部４０２の円盤部４２０と収納容器２００の収納壁２０６との間に配置されている。このことから分かるように、第１絶縁材部４０２の円盤部４２０を収納容器２００の収納壁２０６にネジ止めする事により、第３絶縁材部４１０で第１絶縁材部４０２と収納容器２００との隙間を気密にしている。（作用）
くさび４０４が、第１絶縁材部４０２のガイド穴部とブスバー３００との隙間に、打ち込まれる。これにより、くさび４０４は、第１絶縁材部４０２のガイド穴部とブスバー３００との接合を強固にする。このように、絶縁材部４００とブスバー３００との固定が強力になり、ブスバー３００と接している第１絶縁材部４０２と、ブスバー３００と接している第２絶縁材部４０６との間の変動が抑制される。この場合、ブスバー３００は、燃料電池モジュール１の熱膨張差を吸収するために伸び縮みする。

（効果）
第３実施形態に係る燃料電池モジュール１は、第１絶縁材部４０２のガイド穴部とブスバー３００との隙間に、くさび４０４を配置することした。これにより、絶縁材部４００とブスバー３００との固定がより強力になる。このため、ブスバー３００と接している第１絶縁材部４０２と、ブスバー３００と接している第２絶縁材部４０６との間の変動が抑制され、第２絶縁材部４０６の劣化を低減可能である。

（第４実施形態）
第４実施形態に係る燃料電池モジュールは、外側ブスバーの熱膨張係数を絶縁材部の熱膨張係数により近づけ、外側ブスバーと絶縁材部との間に生じる熱応力を抑制することで、燃料電池モジュールの熱応力による劣化の低減を図ったものである。

図９は、第４実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す図であり、この図９に基づき、第４実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を説明する。第４実施形態に係る燃料電池モジュール１におけるブスバー３００の構成が、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１における絶縁材部４００の構成と相違する。第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と相違する点を説明し、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と同等の構成には、同等の番号を付して説明を省略する。

この図９に示すように、ブスバー３００は、外側ブスバー３０８と、内側ブスバー３１０とを有して構成されている。外側ブスバー３０８は、収納容器２００の収納壁２０６と絶縁した状態で絶縁材部４００に固定される。外側ブスバー３０８の内の絶縁材に接触する領域の形状は、円柱状の形状である。また、外側ブスバー３０８は、絶縁材部４００と熱膨張係数が同等の材質で構成されている。この材質は、例えばフェライト系ＳＵＳ４３０などである。

内側ブスバー３１０は、ばね機構部３０６を有し、セルスタック１００の電極端子に接続される。内側ブスバー３１０は、高温でも耐酸化性が有る材質で構成されている。この材質は、例えばＳＵＳ材料であるＺＭＧなどである。このため、内側ブスバー３１０は、セルスタック１００との接触電気抵抗、及び比電気抵抗が、外側ブスバー３０８を構成するフェライト系ＳＵＳ４３０などを用いる場合よりも小さくなる。

また、内側ブスバー３１０は、外側ブスバー３０８より弾性係数がより小さい。このように、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０とは、材質が異なる。

内側ブスバー３１０、及び外側ブスバー３０８の一方はめねじ機能部３１２を有し、他方のブスバー３００はおねじ機能部３１４を有する。また、めねじ機能部３１２と、おねじ機能部３１４とは、電気的に接続されている。図９に示す例では、外側ブスバー３０８がめねじ機能部３１２を有し、内側ブスバー３１０がおねじ機能部３１４を有している。或いは、外側ブスバー３０８がおねじ機能部３１４を有し、内側ブスバー３１０がめねじ機能部３１２を有してもよい。

図１０は、内側ブスバー３１０が、ばね機構部３０６として、先細りしているＵ字状の形状ばねを有している例を示す図であり、この図１０に基づき、内側ブスバー３１０が先細りしているＵ字状の形状ばねを有している例を説明する。この図１０に示すように、外側ブスバー３０８がめねじ機能部３１２を有し、内側ブスバー３１０がおねじ機能部３１４を有する。この内側ブスバー３１０は、先細りしているＵ字状の形状ばねで構成されるばね機構部３０６を有する。また、内側ブスバー３１０は、ねじ３１６でセルスタック１００の電極端子１０４に固定されている。

なお、絶縁材部４００は、図７で示した絶縁材部４００と同等の構成である。

（作用）
ここでは、収納容器２００にセルスタック１００を収納する工程の一例を説明する。外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０とを分離した状態で、セルスタック１００の電極端子１０４に内側ブスバー３１０を固定する。また、外側ブスバー３０８を、絶縁材部４００に組み込む。次に、収納容器２００の内部にセルスタック１００などを組み込んで蓋をする。続いて、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０とを電気的に接続する。

このように、外側ブスバー３０８と、内側ブスバー３１０とを分離できるので、セルスタック１００の収納容器２００への収納がより効率的に行われる。また、例えば絶縁材部４００の材質によっては、絶縁材部４００を５００℃以上の高温にしないと、外側ブスバー３０８と絶縁材部４００の間にシール機能を付与することができない。この場合、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０とを分離可能である。このため、シール機能を付与する際に外側ブスバー３０８に伝わる熱は、内側ブスバー３１０に伝導されない。これにより、セルスタック１００における熱劣化が抑制される。

外側ブスバー３０８は、絶縁材部４００と熱膨張係数が同等の材質であるため、高温時にも絶縁材部４００と同等の熱膨張をする。また、外側ブスバー３０８は、丸棒の形状、すなわち円柱状の形状であるため、絶縁材部４００との間に発生した力を接触面において均一に伝える。

内側ブスバー３１０は、セルスタック１００との接触電気抵抗及び比電気抵抗が、外側ブスバー３０８を構成する材料を用いた場合よりも小さい。このため、電気出力のロスを、外側ブスバー３０８を構成する材料を用いた場合よりも減少する。先細りしているＵ字状の形状ばねは、熱応力をより小さなばね反発力に変換する。また、Ｕ字状の形状ばねは、板状であるので、安価な板材を切り出して構成される。

（効果）
第４実施形態に係る燃料電池モジュール１は、外側ブスバー３０８と、内側ブスバー３１０とを分離可能に構成し、それぞれの材質と形状を異ならせることとした。これにより、内側ブスバー３１０の伝導性などを維持した状態で、外側ブスバー３０８の熱膨張係数を絶縁材部４００の熱膨張係数により近づけることが可能である。このため、外側ブスバー３０８と絶縁材部４００との間に生じる熱応力をより抑制可能でき、絶縁材部４００の劣化を低減できる。このため、発電停止にともなう熱膨張収縮の繰り返しが生じても、絶縁材部４００のシール機能の劣化を低減できる。

また、外側ブスバー３０８の熱膨張係数を維持した状態で、内側ブスバー３１０の材質を電極端子１０４との接触電気抵抗、及び比電気抵抗が外側ブスバー３０８の材質よりも小さい材質にすることが可能である。このため、セルスタック１００から内側ブスバー３１０を介して供給する電気のロスをより低減できる。

また、外側ブスバー３０８を円柱状の形状として、内側ブスバー３１０を板材の形状にできる。このため、外側ブスバー３０８と絶縁材部４００との間に発生した力も接触面において均一に伝えることができ、応力集中の発生が板状材と比較してより抑制される。また、内側ブスバー３１０が有するばね機能部３０６におけるＵ字状の形状ばねを板状にできるので、安価な板材を切り出して構成可能である。さらに、Ｕ字状の形状ばねにより熱応力を小さなばね反発力に変換可能であるので、発電停止にともなう熱膨張収縮を何度繰り返しても絶縁材部４００の劣化を低減可能である。

（第５実施形態）
第５実施形態に係る燃料電池モジュールは、セルスタックの電圧端子に接続されるブスバーが有するばね機構部が、燃料電池モジュール内の熱膨張差により生じる熱応力をばね反力に変換することで、燃料電池モジュールの熱応力による劣化の低減を図ったものである。より詳しく、以下に説明する。

図１１は、第５実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を示す図であり、この図１１に基づき第５実施形態に係る燃料電池モジュール１の構成を説明する。第５実施形態に係る燃料電池モジュール１は、セルスタック１００の積層面に電圧を計測するための電圧端子１０６が設けられていることで、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と相違する。第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と相違する点を説明し、第１実施形態に係る燃料電池モジュール１と同等の構成には、同等の番号を付して説明を省略する。

この図１１に示すように、セルスタック１００は、積層面に電圧を計測するための電圧端子１０６を有している。電圧端子１０６に電気的に接続されるブスバー３００も第１乃至第4実施形態で説明したブスバー３００と同等の構成を有する。また、図１１に示すように電圧端子１０６に電気的に接続されるブスバー３００の突き出し方向およびばね機構部３０６の伸縮方向がセルの積層方向と同じである。

なお、電圧端子１０６とブスバー３００を一体的に構成してもよい。この場合、一体的に構成された電圧端子１０６及びブスバー３００は、電圧端子と呼ばれる場合がある。

（作用）
電圧端子１０６の熱膨張と、収納容器２００の熱膨張と、セルスタック１００の熱膨張とが、それぞれ組み合わされ、熱膨張差が発生する。この場合、電圧端子１０６に接続されるブスバー３００が他のブスバー３００より長いため、熱膨張差がより大きくなる。この熱膨張差を電圧端子１０６に接続されるブスバー３００のばね機構部３０６が吸収する。

（効果）
第５実施形態に係る燃料電池モジュール１は、セルスタック１００の電圧端子１０６に接続されるブスバー３００が収納容器２００内にばね機構部３０６を有することとした。これにより、ブスバー３００のばね機構部３０６は、熱膨張差による熱応力を、より小さなばね反力に変換可能である。このため、セルスタック１００にかかる熱応力は、ばね機構部３０６を介さずに両端固定となった場合の熱応力よりも小さくなる。これにより、セルスタック１００の破損などが抑制され、セルスタック１００の熱応力による劣化を低減可能である。

また、収納容器２００とブスバー３００に介在する絶縁材部４００にかかる熱応力も、ばね機構部３０６のより小さなばね反力に変換されるので、絶縁材部４００の熱応力による劣化を低減可能である。

（第６実施形態）
第６実施形態に係る燃料電池モジュールは、外部ブスバーが固定される第１絶縁材部を遊動フランジにすることで、外部ブスバーと内部ブスバーと回転歪みの低減を図ったものである。より詳しく、以下に説明する。

図１２に基づき、第１絶縁材部４０２が遊動フランジである、絶縁材部４００を説明する。図１２は、絶縁材部４００の構成部品を示す図である。

この図１２に示すように、絶縁材部４００は、第１絶縁材部４０２と、第２絶縁材部４０６と、第３絶縁材部４１０と、フランジ４２２と、ナット４２４と、ナット４２６と、を備えて構成されている。ここでの、外側ブスバー３０８は、既にくさびで固定されている。図１２で示す絶縁材部４００は、フランジ４２２と、ナット４２４と、ナット４２６とを更に備えることで、第３実施形態の図８に示す絶縁材部４００と相違する。以下に相違する部分を説明する。

第１絶縁材部４０２は、円柱状の形状部４１８と、ネジ穴が設けられていない円盤部４２０とを有して構成されている。フランジ４２２は、円盤状の形状であり、第１絶縁材部４０２における円柱状の形状部４１８を貫通する穴部を有している。

また、外側ブスバー３０８と内側ブスバーと３１０の接合部がナット４２４とナット４２６とを備えて構成されている。すなわち、ここでの接合部はダブルナットである。また、外側ブスバー３０８に、ナット４２４、４２６用のネジ山が切られている。

図１３は、図１２に示す構成部品を組み立てた状態の断面模式図であり、図１３に基づき図１２に示す構成部品を組み立てた状態の絶縁材部４００を説明する。この図１３に示すように、構成部品を組み立てる際に、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３０６とがナット４２４、４２６でねじ止めされる。続いて、フランジ４２２の穴部に、円柱状の形状部４１８を貫通させた状態でフランジ４２２がネジ止めさる。これにより、第１絶縁材部４０２の円盤部４２０が、収納壁２０６とフランジ４２２とで押圧され、第１絶縁材部４０２が収納壁２０６に固定される。

（作用）
フランジ４２２のネジを緩めた状態において、第１絶縁材部４０２を回転可能に支持できる。これにより、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３０６とをナット４２４、４２６でねじ止めする際に、外側ブスバー３０８の回転に制限を受けない。このため、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３０６との間に回転歪みが生じることが抑制される。

外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０との接合部にダブルナット４２４、４２６を用いることとした。これにより、外側ブスバーのネジきりにより、この接合部が構成される。

（効果）
第６実施形態に係る燃料電池モジュール１は、第１絶縁材部４０２を遊動フランジとすることとした。これにより、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３０６とをねじ止めする際に、外側ブスバーの塑性変形を行わなくとも、外側ブスバー３０８を回転させることが可能である。このため、外部ブスバーと内部ブスバーとの接合時における回転歪みが低減される。

また、外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０との接合部にダブルナット４２４、４２６を用いることとした。これにより、外側ブスバーのネジきりにより、この接合部を構成できる。このため、外側ブスバー３０８にメネジを切るよりも安いコストで外側ブスバー３０８と内側ブスバー３１０とを接合できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池モジュール、１００：セルスタック、１０２：燃料電池セル、１０４：電極端子、１０６：電圧端子、２００：収納容器、２０６：収納壁、３００：ブスバー、３０６：ばね機構部、３０８：外側ブスバー、３１０：内側ブスバー、４００：絶縁材部、４０２：第１絶縁材部、４０４：くさび、４０６：第２絶縁材部

Claims (8)

1. 酸素含有ガスと水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池セルが複数積層されるセルスタックと、
   前記セルスタックを収納壁で囲われた空間内に収納する収納容器と、
   一端が前記セルスタックの電極端子に電気的に接続され、他端が前記収納容器の外部に位置するブスバーであって、前記一端と前記他端との間における前記収納容器内にＵ字形状の金属弾性体を有するブスバーと、
   前記ブスバーと前記収納容器との隙間を絶縁した状態で密閉すると共に、前記ブスバーを前記収納壁に固定する絶縁材部と、
   を備え,
   前記Ｕ字形状の金属弾性体の伸縮方向は、前記ブスバーの突き出し方向と同じであり、前記Ｕ字形状の開脚部分の隙間が他の部分の隙間より狭まっている、燃料電池モジュール。
2. 前記絶縁材部は、
   前記ブスバーを通すガイド穴部が内部に構成される第１絶縁材部と、
   前記第１絶縁材部のガイド穴部と前ブスバーとの隙間に配置されるくさびと、
   前記第１絶縁材部と前記ブスバーとの隙間を封止する第２絶縁材部と、
   を有する請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記ブスバーは２つ以上に分離可能であって、分離されたブスバーの一方はめねじ機能部を有し、他方のブスバーはおねじ機能部を有する請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記ブスバーのうち前記絶縁材部に接触する領域の外側ブスバーの材質と、前記外側ブスバーよりも前記電極端子に近い領域の内側ブスバーの材質とは異なる請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記外側ブスバーにおける少なくとも前記絶縁材部に接触する領域の形状は、円柱状の形状である請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記内側ブスバーは板状である請求項４又は５に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記ブスバーは複数であり、そのうちの一つは、前記セルスタックの積層面に電圧を計測するために設けられた電圧端子に接続される請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
8. 酸素含有ガスと水素含有ガスとを用いて発電する燃料電池セルが複数積層されるセルスタックと、
   前記セルスタックを収納壁で囲われた空間内に収納する収納容器と、
   一端が前記セルスタックの積層面に電圧を計測するために設けられた電圧端子に電気的に接続され、他端が前記収納容器の外部に配置されるブスバーであって、前記一端と前記他端との間における前記収納容器内にＵ字形状の金属弾性体を有するブスバーと、
   前記収納容器と前記ブスバーとの隙間を絶縁した状態で密閉すると共に、前記ブスバーを前記収納壁に固定する絶縁材部と、
   を備え、
   前記Ｕ字形状の金属弾性体の伸縮方向は、前記ブスバーの突き出し方向と同じであり、前記Ｕ字形状の開脚部分の隙間が他の部分の隙間より狭まっている、燃料電池モジュール。

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