WO2016143318A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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WO2016143318A1
WO2016143318A1 PCT/JP2016/001205 JP2016001205W WO2016143318A1 WO 2016143318 A1 WO2016143318 A1 WO 2016143318A1 JP 2016001205 W JP2016001205 W JP 2016001205W WO 2016143318 A1 WO2016143318 A1 WO 2016143318A1
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fuel cell
cell stack
current collector
hole
plate
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堀田　信行
宏明 八木
哲也 森川
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日本特殊陶業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack including a plurality of unit cells each having a solid electrolyte and an air electrode and a fuel electrode.
  • a solid oxide fuel cell for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • a flat plate-shaped fuel electrode is provided on one side of a flat solid electrolyte, and a flat plate-shaped oxidation electrode is in contact with an oxidant gas (for example, air) on the other side.
  • oxidant gas for example, air
  • a flat plate type fuel cell single cell provided with an agent electrode (air electrode) is used.
  • the output member is brought into surface contact with a fastening bolt that fastens each member constituting the fuel cell stack, and the power is taken out, and the end plate is integrated at the position of the fastening bolt. It is disclosed that electric power is taken out by the output member (see Patent Document 1).
  • the laminated part (stack body) such as a single unit of the fuel cell and the end plate are electrically insulated.
  • the technique to do is proposed (refer patent document 2).
  • an insulating plate made of mica or the like is disposed between the stack body and the end plate so as to be electrically insulated.
  • a current collector plate is disposed inside the insulating plate (stack body side). Further, the current collector plate is provided with a protruding portion that protrudes from the side surface of the fuel cell stack to the outer peripheral side in order to connect to the external output terminal.
  • the configuration of the output member is not sufficiently studied, and voltage loss may occur when power is taken out to the outside. That is, depending on the configuration such as the arrangement and shape of the output member, the voltage loss may increase, and in this case, there is a problem that the performance of the fuel cell stack deteriorates.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and provides a fuel cell stack capable of reducing the voltage loss and improving the performance of the fuel cell stack in the power extraction structure in the fuel cell stack. With the goal.
  • a power generation unit including a fuel cell single cell having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte, and electric power generated by the fuel cell single cell via a current collector A fuel cell stack, wherein a plurality of the power generation units are continuously arranged, and the current collector plates are arranged in a first direction in which the power generation units are continuous.
  • the current collector plate When viewed from one direction, the current collector plate includes a current collector disposed in a region where the power generation units overlap, and a protrusion protruding from the current collector, wherein the current collector is A current collecting area in which the current collector is disposed, and a plurality of through holes including a first through hole and a second through hole that are adjacent to each other, and the protruding portion generates electricity generated by the fuel cell stack. Is output to the outside of the fuel cell stack.
  • a connection region wherein the connection region is perpendicular to a line connecting the centroid of the first through-hole and the centroid of the second through-hole, and is in contact with the outer periphery of the first through-hole. It exists between a tangent line and a second tangent line that intersects the line segment perpendicularly and touches the outer periphery of the second through hole.
  • the current collector of the current collector plate has a current collecting area in which the current collector is disposed and a plurality of through holes including the first through hole and the second through hole that are adjacent to each other.
  • the protrusion has a connection region to which an output terminal for outputting electricity generated by the fuel cell stack to the outside of the fuel cell stack is electrically connected.
  • connection region includes a first tangent line perpendicular to a line segment connecting the centroid of the first through hole and the centroid of the second through hole and in contact with the outer periphery of the first through hole, and perpendicular to the line segment. And a second tangent line that touches the outer periphery of the second through hole.
  • connection region where the protrusion and the output terminal are electrically connected is the first contact line that contacts the outer periphery of the first through hole and the second contact that contacts the outer periphery of the second through hole. It is formed within the range (that is, the connectable range described later) between the line and the line. That is, the connection region is set so that the current flow between the current collection area and the connection region is not easily blocked by the through hole.
  • the power (and thus the current) generated in the fuel cell stack is not easily blocked by the through-holes, and is thus efficiently supplied from the current collector of the current collector plate to the output terminal. Is done. Therefore, there is a remarkable effect that there is little voltage loss and the performance of the fuel cell stack can be improved.
  • the protruding portion having the connection region set as described above can be configured in a compact manner, there is an advantage that heat extraction from a portion where the power generation units are continuously arranged (for example, the stack body) can be suppressed.
  • the output terminal is formed of a member having an electric resistance smaller than that of the current collector plate.
  • a current flows toward the connection portion.
  • the electrical resistance of the output terminal is smaller than the electrical resistance of the current collector plate (the electrical resistance is low), the voltage loss is small and the performance of the fuel cell stack is improved.
  • the entire connection region is disposed between the first contact line and the second contact line when viewed from the first direction.
  • the entire connection region is disposed between the first tangent line and the second tangent line, current is more likely to flow from the current collector to the output terminal. Therefore, there is little voltage loss and the performance of the fuel cell stack can be improved.
  • the protruding portion when viewed from the first direction, has a width on the root side that is larger than the tip side in the protruding direction.
  • the protrusion part since the protrusion part has a width
  • the width of the projecting portion when viewed from the first direction, gradually increases toward the root side.
  • the width of the protruding portion since the width of the protruding portion gradually increases toward the root side, the current easily flows from the current collecting portion to the protruding portion. As a result, current easily flows to the output terminal.
  • the strength on the base side of the protruding portion is larger and it is more difficult to break.
  • centroid means the center of gravity (area center) in a plane figure.
  • material of the current collector plate stainless steel, nickel, nickel alloy, etc. can be adopted.
  • the fuel cell unit cell and the power generation unit are not particularly limited as long as they can be stacked (that is, can be arranged so as to overlap each other) such as a flat plate shape or a flat shape.
  • the power generation unit is a basic unit for generating power using a single fuel cell.
  • the power generation unit in addition to a single fuel cell, a structure for taking out electric power from the single fuel cell (for example, an air electrode current collector, a fuel electrode current collector, an interconnector, etc.), a flow of oxidant gas and fuel gas.
  • an air electrode current collector, a fuel electrode current collector, an interconnector, etc. a structure for taking out electric power from the single fuel cell (for example, an air electrode current collector, a fuel electrode current collector, an interconnector, etc.), a flow of oxidant gas and fuel gas.
  • route is mentioned.
  • the current collection area in the case where the current collector is a single body, there is a projection area of the current collector when viewed from the first direction.
  • a range that surrounds the outer periphery of the projection area of each current collector when viewed from the first direction can be given. For example, there is a range in which the projection areas of all the current collectors are bound from the outer periphery with strings.
  • the shape of the tip portion of the output terminal in the connection region includes a polygonal shape such as a rectangular short side, a smooth circular shape, and the like.
  • -A s a method of electrically connecting the protruding portion and the output terminal, a method of connecting the protruding portion and the output terminal by a fixing member such as a bolt and a nut, or a method of joining the protruding portion and the output terminal by welding or the like.
  • the method of connecting is mentioned.
  • Fuel gas and oxidant gas are listed as raw materials for power generation by the fuel cell stack.
  • the fuel gas indicates a gas containing a reducing agent (for example, hydrogen) serving as a fuel
  • the oxidant gas indicates a gas (for example, air) containing an oxidant (for example, oxygen).
  • a fuel gas is introduced to the fuel electrode side and an oxidant gas is introduced to the air electrode side.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack of Example 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a part of the fuel cell stack of Example 1 disassembled and broken in the stacking direction.
  • 2 is an exploded perspective view showing a power generation unit of the fuel cell stack of Example 1.
  • FIG. It is a top view which shows the surface in which the air electrode electrical power collector of the interconnector of Example 1 was formed. It is a perspective view which expands and shows the anode current collector of Example 1, and its principal part.
  • (A) is a top view which shows the current collection board of Example 1
  • (b) is explanatory drawing which shows the state by which the 2nd output terminal was connected to the current collection board.
  • FIG. 3 is a front view showing a state where a second output terminal is connected to a protruding portion of a current collector plate in a part of the fuel cell stack of Example 1;
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a range of a connection region or the like in a plan view in a part of the current collector plate of Example 1.
  • A) is a top view which shows a part of collector plate of Example 2
  • (b) is a top view which shows a part of the modification
  • (c) is the 1st connected to the collector plate of Example 3.
  • 2 is a plan view showing a part of the output terminal
  • FIG. 6D is a plan view showing a part of the modification.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a part of the fuel cell stack of Example 5 disassembled and broken in the stacking direction.
  • FIG. 10 is a front view showing a state where a second output terminal is connected to a protruding portion of a current collector plate in a part of the fuel cell stack of Example 6. It is a perspective view which decomposes
  • a solid oxide fuel cell stack (hereinafter simply referred to as “fuel cell stack”) 1 of the first embodiment includes a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air. It is a device that generates electricity by being supplied with oxygen in the air.
  • fuel gas for example, hydrogen
  • oxidant gas for example, air
  • the oxidant gas is indicated by “O”
  • the fuel gas is indicated by “F”.
  • IN indicates that gas is introduced
  • OUT indicates that gas is discharged.
  • up and down indicates the vertical direction in FIGS. 1 and 2 for convenience, and does not determine the directionality of the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell stack 1 includes a first end plate 3 and a second end plate 5 disposed at both ends (that is, both upper and lower ends) in the vertical direction (stacking direction: first direction) in FIG.
  • This is a fuel cell stack in which a plurality of flat plate-like (for example, 20 stages) power generation units 7 and current collector plates 9 described later are laminated.
  • a plurality of (for example, eight) through-holes 10 are provided in the end plates 3 and 5 at the upper and lower ends, each power generation unit 7, the current collecting plate 9 and the like so as to penetrate them in the stacking direction.
  • Both end plates 3, each bolt 11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11 f, 11 g, 11 h (collectively referred to as 11) and each nut 12 screwed into each bolt 11, 5, each power generation unit 7, current collector plate 9, and the like are integrally fixed via an insulator 8 (see FIG. 7).
  • the specific (four) bolts 11b, 11d, 11f, and 11h among the bolts 11 have an internal flow path 14 through which an oxidant gas or a fuel gas flows along the axial direction (vertical direction in FIG. 1). Is formed.
  • the bolt 11b is used for discharging fuel gas
  • the bolt 11d is used for discharging oxidant gas
  • the bolt 11f is used for introducing fuel gas
  • the bolt 11h is used for introducing oxidant gas.
  • the first output terminal 13 is connected to the upper first end plate 3 and the second current collecting plate 9 is An output terminal 15 is connected.
  • the portion where the power generation units 7 are stacked is referred to as a stack body 20.
  • a stack body 20 the portion where the power generation units 7 are stacked.
  • the power generation unit 7 is an interconnector 19a, 19b (generally referred to as 19) or the like on both sides of the fuel cell single cell 17 in the thickness direction (vertical direction in FIG. 2). It is equipped with.
  • the configuration of the power generation unit 7 on the second end plate 5 side (the lower end side in FIG. 2) of the fuel cell stack 1 is slightly different from the other power generation units 7, and will be described in detail later.
  • each power generation unit 7 (other than the lower end) includes a metal interconnector 19a, an air electrode insulating frame 23, a metal separator 25, a metal fuel electrode frame 27, and a metal interconnector. 19b and the like are laminated.
  • the adjacent power generation units 7 share the interconnector 19 disposed therebetween.
  • each of the stacked members 19 and 23 to 27 is formed with each through hole 10 through which each bolt 11 is inserted.
  • a convex air electrode current collector 33 integral with the interconnector 19 is disposed in a flow path (air flow path through which oxidizing gas flows) 31 in the frame of the air electrode insulating frame 23.
  • a fuel electrode current collector 37 is disposed in a flow path (fuel flow path through which fuel gas flows) 35 in the frame of the fuel electrode frame 27.
  • the interconnector 19 is made of a conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430).
  • the interconnector 19 ensures conduction between the fuel cell single cells 17 and prevents gas mixing between the fuel cell single cells 17 (and thus between the power generation units 7).
  • the interconnector 19 should just be arrange
  • the interconnector 19 is formed on a plate-like portion 41, which is a square plate member, and one surface of the plate-like portion 41, specifically, a surface facing the air electrode 55 (see FIG. 2). And a large number of air electrode current collectors 33.
  • the air electrode current collectors 33 have a block shape (a rectangular parallelepiped shape), and are arranged in a plurality of rows vertically and horizontally in a lattice shape so as to protrude from the plate-like portion 41 toward the air electrode 55.
  • the air electrode insulating frame 23 is a square frame-like plate material having electrical insulation, and is a mica frame made of soft mica.
  • the air electrode insulating frame 23 is formed with a rectangular opening 23 a constituting the air flow path 31 at the center thereof (in a plan view as viewed from the thickness direction).
  • the long side communication holes 43 d are respectively connected to the frame portions on each side where the pair of opposing through holes 10 (10 d, 10 h) are provided so as to communicate with the respective through holes 10. , 43h are provided. Further, the air electrode insulating frame 23 is provided with a plurality of grooves 47d and 47h as portions (communication portions) through which air passes so as to communicate the communication holes 45d and 45h with the opening 23a.
  • the separator 25 is a rectangular frame-like conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430).
  • the outer peripheral edge (upper surface) of the single fuel cell 17 is brazed and joined to the separator 25 at the inner peripheral edge (lower surface) along the square opening 25a at the center. That is, the fuel cell single cell 17 is joined so as to close the opening 25 a of the separator 25.
  • the fuel electrode frame 27 is a rectangular frame-shaped plate material made of, for example, stainless steel such as SUS430 having conductivity.
  • the fuel electrode frame 27 is formed with a rectangular opening 27a constituting the fuel flow path 35 at the center (in plan view).
  • the pair of opposing through holes 10 (10b, 10f) are elongated holes, and the respective communicating holes 57b, 57f are provided so as to communicate the elongated holes with the opening 27a. ing.
  • the anode current collector 37 is a combination of a spacer 61 as a core material made of mica and a metal conductive plate (for example, a flat foil made of nickel) 63 as a conductive member.
  • a spacer 61 as a core material made of mica
  • a metal conductive plate for example, a flat foil made of nickel
  • This is a known lattice-shaped member (see, for example, the current collecting member 19 described in JP2013-55042A).
  • the fuel electrode current collector 37 includes a spacer (ladder mica) 61 in which a number of long holes 61a are opened in parallel, and a conductive plate in which each joining piece 63a of the conductive plate 63 is bent and attached to the spacer 61. 63.
  • the fuel cell single cell 17 has a so-called fuel electrode support membrane type structure, which is a thin-film solid electrolyte (solid electrolyte layer) 51 and one side thereof (downward in FIG. 2).
  • a formed fuel electrode (anode) 53 and a thin film air electrode (cathode) 55 formed on the other side (upper side in FIG. 2) are integrally laminated.
  • the separator 25 is joined to the upper surface of the outer peripheral edge portion of the solid electrolyte layer 51, the air flow is prevented by the separator 25 so that the oxidant gas and the fuel gas are not mixed inside the power generation unit 7.
  • the passage 31 and the fuel passage 35 are separated.
  • the air flow path 31 is provided in the air electrode 55 side of the fuel cell single cell 17, the fuel flow path 35 is provided in the fuel electrode 53 side, and the flow direction of the air in the air flow path 31 is shown in FIG. It is the left-right direction, and the direction in which the fuel gas flows in the fuel flow path 35 is a direction perpendicular to the paper surface.
  • the air electrode 55 is a porous layer through which an oxidant gas can pass.
  • the material constituting the air electrode 55 include metals, metal oxides, and metal composite oxides.
  • the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and alloys thereof.
  • the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe, such as La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , and FeO.
  • Composite oxides include La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn and the like (La 1-x Sr x CoO 3 -based composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3 Type composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 type composite oxide, La 1-x Sr x MnO 3 type composite oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 type composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide) or the like can be used.
  • the solid electrolyte layer 51 is a dense layer made of a solid oxide, and can move the oxidant gas (oxygen) introduced into the air electrode 55 as ions during operation (power generation) of the fuel cell stack 1. It has ionic conductivity.
  • Examples of the material constituting the solid electrolyte layer 51 include zirconia-based, ceria-based, and perovskite-based electrolyte materials.
  • zirconia-based materials include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and calcia stabilized zirconia (CaSZ), and yttria stabilized zirconia (YSZ) is generally used.
  • YSZ yttria stabilized zirconia
  • ScSZ scandia stabilized zirconia
  • CaSZ calcia stabilized zirconia
  • YSZ yttria stabilized zirconia
  • perovskite-type double oxides containing lanthanum elements are used.
  • the fuel electrode 53 is a porous layer through which fuel gas can pass.
  • the material constituting the fuel electrode 53 include ZrO 2 ceramics such as zirconia and CeO ceramics stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y. And mixtures with ceramics. Further, a metal such as Ni, or a cermet or Ni-based alloy of Ni and the ceramic can be used.
  • the upper surface of the upper interconnector 19 a is a flat plate having the same outer shape as the interconnector 19 a in plan view.
  • a first end plate 3 is disposed.
  • the first end plate 3 is made of the same material as the interconnector 19.
  • a first output terminal (+ electrode output terminal) 13 is fixed to the upper surface of the first end plate 3 by a bolt 60.
  • the first output terminal 13 is an L-shaped plate material in which a tip portion 13 a and an extension portion 13 b are bent vertically, and the tip portion 13 a is fixed to the first end plate 3 by a bolt 60. Yes.
  • the first output terminal 13 is made of a material having a resistance lower than that of the interconnector 19a and the first end plate 3, for example, nickel or a nickel alloy. Thereby, the interconnector 19a at the upper end, the first end plate 3, and the first output terminal 13 are electrically connected.
  • an end insulating plate 64 is stacked below the current collector plate 9, and a second end plate 5 is stacked below the end insulating plate 64.
  • the end insulating plate 64 is made of mica similar to the air electrode insulating frame 23, and is a flat plate material having the same outer peripheral shape as the interconnector 19 in plan view.
  • the second end plate 5 is a member having a similar planar shape made of the same material as that of the first end plate 3.
  • the current collector plate 9 described above includes a current collector 65 having the same shape (square shape) as the planar shape of the stack body 20, and the outer periphery of the current collector 65 (accordingly, in plan view). And a protruding portion 67 protruding outward from the outer periphery of the stack body 20.
  • the current collector plate 9 is made of the same material as the interconnector 19.
  • the rectangular frame-shaped edge 69 constituting the outer periphery has eight through-holes 10 through which the bolts 11 are inserted at equal intervals, similarly to the other fuel electrode frame 27 and the like. (That is, positions corresponding to the four corners of the edge 69 and the midpoint of each side).
  • the current collector 65 is arranged in a region where the power generation units 7 overlap in a plan view, and is a rectangular current collector in which the fuel electrode current collector 37 is arranged inside the edge 69 of the current collector 65.
  • An electric area 70 is formed.
  • the protruding portion 67 has a pair of adjacent through holes 10 (for example, the through holes 10 c and 10 d) arranged in a portion corresponding to one side (right side) of the edge 69. It is formed so as to protrude outward from the outer periphery of the edge 69 formed. That is, the protruding portion 67 is formed so as to protrude outward from the right side of the outer periphery of the edge 69 between the through holes 10c and 10d perpendicularly to the right side.
  • a protruding portion through hole 71 is formed on the distal end side of the protruding portion 67.
  • the second output terminal 15 is an L-shaped plate material in which a tip portion 15 a and an extension portion 15 b are bent vertically, and a terminal through hole 73 having the same shape as the protruding portion through hole 71 is formed in the tip portion 15 a. Is opened.
  • the second output terminal 15 is made of a conductive material such as stainless steel.
  • a material of the second output terminal 15 a material (for example, nickel or nickel alloy) having a lower electric resistance than the current collector plate 9 may be used.
  • a range in which the protruding portion 67 and the tip end portion 15 a of the second output terminal 15 are overlapped is set.
  • a portion including the protruding portion through hole 71 and the terminal through hole 73
  • the protruding portion 67 and the second output terminal 15 are in contact with each other for electrical connection is a connection region SR (shaded portion in FIG. 8). Is set.
  • connection region SR is perpendicular to a line segment SB that connects the centroid of one through-hole 10c and the centroid of the other through-hole 10d, and a first tangent line L1 that contacts the outer periphery of one through-hole 10c.
  • second line L2 that intersects the line segment SB perpendicularly and contacts the outer periphery of the other through-hole 10d.
  • connection region SR in which the protruding portion 67 and the second output terminal 15 are electrically connected is in contact with the first contact line L1 in contact with the outer periphery of one through hole 10c and the outer periphery of the other through hole 10d. It is formed within a band-like range between the second tangent line L2, that is, within a connectable range SKH between the parallel lines L1 and L2.
  • At least one of the short sides of the second output terminal 15 (here, the tip side of the tip portion 15a which is a rectangular short side) is disposed within the connectable range SKH. Further, the entire connection region SR is disposed within the connectable range SKH.
  • the width of the projecting portion 67 is gradually increased from the tip side in the projecting direction in plan view. That is, both sides in the width direction on the root side are gently curved and spread so as to draw an arc so that the width on the root side of the protrusion 67 is larger than the width on the tip side.
  • the width direction is a direction perpendicular to the direction in which the protruding portion 67 protrudes when viewed from the first direction.
  • each plate material made of SUS430 that is, each plate material having a required thickness
  • 37 conductive plates 63 were produced.
  • the air electrode current collector 33 was formed on one surface of the interconnector 19 by cutting. Further, the air electrode insulating frame 23 and the end insulating plate 64 were manufactured by punching the mica sheet.
  • the spacer 61 was produced by punching the mica sheet, the conductive plate 63 was cut, and the conductive plate 63 was attached to the spacer 61 to produce the fuel electrode current collector 37.
  • the fuel cell single cell 17 was manufactured according to a conventional method. Specifically, first, in order to form the fuel electrode 53, for example, a fuel electrode paste was prepared using a material composed of yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder, nickel oxide powder, and a binder solution. Then, using this fuel electrode paste, a fuel electrode green sheet was produced by a known doctor blade method.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • the solid electrolyte layer 51 for example, a solid electrolyte paste was produced using a material composed of YSZ powder and a binder solution. And using this solid electrolyte paste, the solid electrolyte green sheet was produced by the doctor blade method.
  • an air electrode paste was prepared using a material composed of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 powder and a binder solution.
  • an air electrode paste was printed on the surface of the solid electrolyte layer 51 in the sintered laminate. Then, the printed air electrode paste was baked at a predetermined temperature so as not to become dense by baking, and the air electrode 55 was formed.
  • the fuel cell single cell 17 was completed.
  • the fuel cell single cell 17 was fixed to the separator 25 by brazing.
  • [Manufacturing process of fuel cell stack 1] Next, the above-described members are combined in the order shown in FIG. 2 to form a laminate, and bolts 11 are fitted into the through holes 10 of the laminate, and nuts 12 are screwed into the bolts 11. The laminate was pressed and integrated to fix it.
  • connection region SR in which the protruding portion 67 of the current collector plate 9 and the second output terminal 15 are electrically connected is a first contact line L1 that is in contact with the outer periphery of one through hole 10c, and It is formed within a band-like range (that is, connectable range SKH) between the second contact line L2 that is in contact with the outer periphery of the other through-hole 10d.
  • the electric power (current) generated in the fuel cell stack 1 is not easily blocked by the through-hole 10 (that is, the electric resistance is low), the projecting portion 67 from the current collecting portion 65 of the current collecting plate 9. To be easily supplied to the second output terminal 15. Therefore, there is a remarkable effect that the voltage loss is small and the performance of the fuel cell stack 1 can be improved.
  • the protruding portion 67 having the connection region SR set as described above can be configured in a compact manner, there is an advantage that heat extraction from the stack body 20 in which the power generation units 7 are stacked can be suppressed.
  • the short side of the tip of the second output terminal 15 is disposed within the connectable range SKH, and thus the short side of the second output terminal 15 from the current collector 65 via the protrusion 67.
  • a current easily flows around the side (therefore, the second output terminal 15 itself). Therefore, there is little voltage loss and the performance of the fuel cell stack 1 can be improved.
  • connection region SR is disposed within the connectable range SKH, a current easily flows from the current collector 65 to the connection region SR of the protrusion 67 from this point. Therefore, there is little voltage loss and the performance of the fuel cell stack 1 can be improved.
  • the protrusion 67 has a width gradually increasing from the front end side in the protrusion direction in plan view, so that a current further flows from the current collector 65 to the protrusion 67. Easy to flow. Further, there is an advantage that the strength on the base side of the protruding portion 67 is larger and is not easily damaged.
  • the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
  • the configuration of the current collector plate is different from that of the first embodiment, different points will be described.
  • the same number is used for the same member number as in the first embodiment (the same applies hereinafter).
  • the current collector plate 81 includes a current collector 83 and a protrusion 85, and the planar shape of the protrusion 85 is It is a trapezoid. That is, the protrusion 85 has a width that is gradually wider on the root side than on the tip side.
  • the planar shape of the protrusion 87 may be a rectangle having a certain width from the tip side to the root side.
  • the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
  • the configuration of the second output terminal is different from that of the first embodiment, different points will be described. Specifically, in the third embodiment, as shown in FIG. 9C, the tip of the second output terminal 91 is trapezoidal.
  • the tip of the second output terminal 93 may be a semicircular curve.
  • the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
  • the planar shape of the through hole is different from that of the first embodiment, different points will be described. Specifically, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 10A, the planar shape of the through hole 101 is a square (square).
  • the band-like connectable range SKH can be set from the first contact line L1 and the second contact line L1 as in the first embodiment.
  • the planar shape of the through hole 111 may be another polygon (for example, a hexagon).
  • the connectable range SKH can be similarly set even if the through hole has a curved inner periphery.
  • Example 5 description of the content similar to the said Example 1 is abbreviate
  • the configuration on the first end plate side of the first embodiment is the same as that on the second end plate side.
  • a current collector plate similar to that of the first embodiment is formed on the upper surface of the upper interconnector 19a. 123 are stacked.
  • an end insulating plate 125 similar to that of the first embodiment is stacked on the upper surface of the current collector plate 123, and a first end plate 127 similar to that of the first embodiment is stacked on the upper surface of the end insulating plate 125. ing.
  • the current collector plate 123 has a protruding portion 131 protruding from the outer periphery of the rectangular current collecting portion 129 (in plan view), as in the first embodiment.
  • the first output terminal 13 is connected to the protrusion 131 in the same manner as the second output terminal 15.
  • the sixth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
  • the configuration of the end portion in the stacking direction of the fuel cell stack is different from that in the first embodiment.
  • the second end plate of the first embodiment is omitted on the lower end side of the fuel cell stack 141, and the current collecting plate 143 is used as the second end plate. .
  • the current collector plate 143 has a thickness sufficient for the second end plate (for example, greater than or equal to the thickness of the second end plate).
  • the current collector plate 143 is directly clamped by the bolt 11 and the nut 12 via the insulator 8.
  • the first end plate of the first embodiment may be omitted. That is, you may attach the 1st output terminal 13 to the interconnector 19a using the interconnector 19a of the upper part of the electric power generation unit 7 located in the upper end of FIG. 2 as a 1st end plate. In that case, it is preferable to set the thickness of the interconnector 19a to a thickness having a sufficient strength (for example, the thickness of the first end plate or more).
  • the first end plate and the end insulating plate may be omitted, and the upper end interconnector may be used as the first end plate.
  • the Example etc. of this invention were described, this invention is not limited to the said Example etc., A various aspect can be taken.
  • the present invention can also be applied to the arranged fuel cell stack 155 and the like.
  • a fuel cell stack 155 in which a plurality of flat cylindrical power generation units 153 are arranged side by side in the thickness direction, and end plates 157 that also serve as current collector plates are arranged at both ends in the arrangement direction.
  • the end plate 157 may be provided with a protruding portion 163 that protrudes to the outer peripheral side (at a position between the through holes 161) from the current collecting portion 159, as in the above embodiments.
  • the current collector plate 171 may be provided with a protrusion 173 having a width (dimension in the vertical direction in FIG. 14) wider than the protrusion 67 of the first embodiment in plan view.
  • the width of the protruding portion 173 may be set to a dimension that is narrower than the width of the current collector plate 171 and wider than the width of the current collection area 70.
  • the whole projecting part is in the connectable range, but a part may be outside the connectable range.
  • a part of the base side may extend outside the connectable range.
  • the interconnector and the air electrode current collector have an integral structure, but the interconnector and the air electrode current collector are formed as separate members and are joined by a brazing material or the like. May be.
  • a block-like or long current collector may be joined to one surface of the flat interconnector.
  • a known current collector such as a non-buckling material such as a porous metal may be used in addition to the configuration of each of the above embodiments.
  • a known current collector such as a non-buckling material such as a porous metal may be used in addition to the configuration of each of the above embodiments.
  • the configurations of the embodiments may be combined by applying to other embodiments as appropriate.

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Abstract

　燃料電池スタックにおける電力取り出し構造において、電圧ロスを低減して、燃料電池スタックの性能を高めることができる燃料電池スタックを提供すること。燃料電池スタック１では、集電板９の突出部６７と第２出力端子１５とが電気的に接続される接続領域ＳＲは、一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲（即ち接続可能範囲ＳＫＨ）内に形成されている。従って、燃料電池スタック１にて発電された電力（電流）は、貫通孔１０によってその流れが妨げられにくいので、集電板９の集電部６５から突出部６７を介して第２出力端子１５に供給され易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタック１の性能を向上する。

Description

燃料電池スタック
　本発明は、固体電解質に空気極及び燃料極を有する燃料電池単セルを複数備えた燃料電池スタックに関する。
　従来、燃料電池として、例えば固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が知られている。
　この固体酸化物形燃料電池では、例えば平板状の固体電解質の一方の側に燃料ガスに接する平板状の燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス（例えば空気）と接する平板状の酸化剤極（空気極）を設けた平板型の燃料電池単セルが使用されている。
　更に、近年では、所望の電圧を得るために、複数の燃料電池単セルを、インターコネクタ及び集電体を介して積層した燃料電池スタックが開発されている。
　この種の燃料電池スタックでは、燃料電池単セルの積層方向における両端に、導電性を有するエンドプレートを配置し、これらのエンドプレートを燃料電池スタックの正極と負極として電力を取り出す構造が提案されている。
　このような燃料電池スタックの電力取り出し構造として、燃料電池スタックを構成する各部材を締結する締結ボルトによって出力部材を面接触させて電力を取り出すこと、締結ボルトの位置において、エンドプレートと一体化された出力部材によって電力を取り出すことが開示されている（特許文献１参照）。
　また、これとは別に、燃料電池スタックと各種の補助器（ＢＯＰ）との間のショートを防止するために、燃料電池単セル等の積層部分（スタック本体）とエンドプレートとを電気的に絶縁する技術が提案されている（特許文献２参照）。
　この技術では、スタック本体とエンドプレートとの間に、マイカ等からなる絶縁プレートを配置して、電気的に絶縁するようにしている。また、スタック本体から電力を取り出すために、絶縁プレートの内側（スタック本体側）に、集電板を配置している。更に、この集電板には、外部の出力端子と接続するために、燃料電池スタックの側面より外周側に突出する突出部が設けられている。
特開２０１１－７６８９０号公報 国際公開第２００６／００９２７７号
　しかしながら、上述した従来技術では、出力部材の構成についての検討が十分ではなく、電力を外部に取り出す際に電圧ロスが発生することがあった。
　つまり、出力部材の配置や形状等の構成によっては、電圧ロスが大きくなることがあり、その場合には、燃料電池スタックの性能が低下するという問題があった。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックにおける電力取り出し構造において、電圧ロスを低減して、燃料電池スタックの性能を高めることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
　（１）本発明の第１態様は、燃料極と空気極と固体電解質とを有する燃料電池単セルを備えた発電単位と、前記燃料電池単セルによって発電された電力を集電体を介して集電する集電板と、を備え、前記発電単位が複数個連続して配置され、且つ、前記発電単位が連続する第１方向に前記集電板が配置された燃料電池スタックにおいて、前記第１方向から見た場合に、前記集電板は、前記発電単位が重なり合う領域に配置された集電部と、前記集電部から突出する突出部と、を備えており、前記集電部は、前記集電体が配置された集電エリアと、隣り合う第１貫通孔及び第２貫通孔を含む複数の貫通孔と、を有し、前記突出部は、前記燃料電池スタックで発電した電気を該燃料電池スタック外部に出力する出力端子が電気的に接続されている接続領域を有し、前記接続領域は、前記第１貫通孔の図心と前記第２貫通孔の図心とを結ぶ線分に垂直に交差し前記第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、前記線分に垂直に交差し前記第２貫通孔の外周に接する第２の接する線と、の間に存在する。
　本第１態様では、集電板の集電部は、集電体が配置された集電エリアと、隣り合う第１貫通孔及び第２貫通孔を含む複数の貫通孔とを有している。また、突出部は、燃料電池スタックで発電した電気を燃料電池スタック外部に出力する出力端子が電気的に接続されている接続領域を有している。
　この接続領域は、第１貫通孔の図心と第２貫通孔の図心とを結ぶ線分に垂直に交差し第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、前記線分に垂直に交差し第２貫通孔の外周に接する第２の接する線との間に存在する。
　つまり、本第１態様では、突出部と出力端子とが電気的に接続される接続領域は、第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、第２貫通孔の外周に接する第２の接する線との間の範囲（即ち後述する接続可能範囲）内に形成されている。すなわち、接続領域は、集電エリアと接続領域との間の電流の流れが、貫通孔によって妨げられにくいように設定されている。
　このように、本第１態様では、燃料電池スタックにて発電された電力（従って電流）は、貫通孔によってその流れが妨げられにくいので、集電板の集電部から効率よく出力端子に供給される。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタックの性能を向上することができるという顕著な効果を奏する。
　また、上述のように設定された接続領域を有する突出部は、コンパクトに構成できるので、発電単位が連続して配置された部分（例えばスタック本体）からの熱引きを抑制できるという利点がある。
　（２）本発明の第２態様では、前記出力端子は、前記集電板よりも電気抵抗の小さい部材で形成されている。
　集電板より低抵抗の出力端子が接続されている場合には、その接続箇所に向かって電流が流れる。本第２態様では、出力端子の電気抵抗が集電板の電気抵抗よりも小さい（電気抵抗が低い）ので、電圧ロスが少なく、燃料電池スタックの性能が向上する。
　（３）本発明の第３態様では、前記第１方向から見た場合に、前記接続領域の全体が、前記第１の接する線と前記第２の接する線との間に配置されている。
　本第３態様では、接続領域の全体が、第１の接する線と第２の接する線との間に配置されているので、より集電部から出力端子に電流が流れ易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタックの性能を向上することができる。
　（４）本発明の第４態様では、前記第１方向から見た場合に、前記突出部は、突出方向の先端側より根元側の幅が大きい。
　本第４態様では、突出部は、突出方向の先端側より根元側の幅が大きいので、集電部から突出部に電流が流れ易い。ひいては、出力端子に電流が流れ易い。また、突出部の根元側の強度が大きく、破損しにくいという利点がある。
　（５）本発明の第５態様では、前記第１方向から見た場合に、前記突出部の幅は、前記根元側に向かって漸次広がっている。
　本第５態様では、突出部は、突出部の幅は、根元側に向かって漸次広がっているので、集電部から突出部に電流が流れ易い。ひいては、出力端子に電流が流れ易い。また、突出部の根元側の強度がより大きく、一層破損しにくいという利点がある。
　＜次に、本発明の燃料電池スタックの各構成について説明する＞
・前記図心とは、平面図形における重心（面積中心）を意味する。
・集電板の材料としては、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金等を採用できる。
　・出力端子の材料としては、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金等を採用できる。
　・燃料電池単セル及び発電単位としては、平板形状、扁平形状など、スタック化できるもの（即ち重ね合わせるように配置できるもの）であれば、特に限定はない。
　・発電単位は、燃料電池単セルを用いて発電を行う基本単位である。この発電単位としては、燃料電池単セルに加え、燃料電池単セルから電力を取り出す構成（例えば空気極集電体、燃料極集電体、インターコネクタ等）や、酸化剤ガス及び燃料ガスの流路を規定する部材などを備えたものが挙げられる。
　・集電エリアとしては、集電体が単体である場合には、第１方向から見た場合の集電体の投影領域が挙げられる。また、集電体が複数である場合には、第１方向から見た場合の各集電体の投影領域の外周を繋げるように囲む範囲が挙げられる。例えば、全ての集電体の投影領域を外周から紐で括ったような範囲が挙げられる。
　・貫通孔が配置される範囲としては、集電エリアの外周を、例えば環状に囲む範囲（即ち集電板の枠状の外周縁部）が挙げられる。
　・接続領域における出力端子の先端部分の形状（第１方向から見た形状：平面視）としては、長方形の短辺側のような多角形の形状や、滑らかな円形等の形状が挙げられる。
　・突出部と出力端子とを電気的に接続する方法としては、突出部と出力端子とをボルト及びナット等による固定部材によって接続する方法や、突出部と出力端子とを溶接等により接合して接続する方法が挙げられる。
　・燃料電池スタックによって発電を行う場合の原料としては、燃料ガスや酸化剤ガスが挙げられる。燃料ガスとは、燃料となる還元剤（例えば水素）を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤（例えば酸素）を含むガス（例えば空気）を示している。
　・燃料電池スタックを用いて発電を行う場合、燃料極側に燃料ガスを導入し、空気極側に酸化剤ガスを導入する。
実施例１の燃料電池スタックの斜視図である。 実施例１の燃料電池スタックの一部を分解し、積層方向に破断して模式的に示す断面図である。 実施例１の燃料電池スタックの発電単位を分解して示す斜視図である。 実施例１のインターコネクタの空気極集電体が形成された表面を示す平面図である。 実施例１の燃料極集電体とその要部を拡大して示す斜視図である。 （ａ）は実施例１の集電板を示す平面図、（ｂ）はその集電板に第２出力端子が接続された状態を示す説明図である。 実施例１の燃料電池スタックの一部において、集電板の突出部に第２出力端子が接続された状態を示す正面図である。 実施例１の集電板の一部において、接続領域等の範囲を平面視で示す説明図である。 （ａ）は実施例２の集電板の一部を示す平面図、（ｂ）はその変形例の一部を示す平面図、（ｃ）は実施例３の集電板に接続される第２出力端子の一部を示す平面図、（ｄ）はその変形例の一部を示す平面図である。 （ａ）は実施例４の集電板の一部を示す平面図、（ｂ）はその変形例の一部を示す平面図である。 実施例５の燃料電池スタックの一部を分解し、積層方向に破断して模式的に示す断面図である。 実施例６の燃料電池スタックの一部において、集電板の突出部に第２出力端子が接続された状態を示す正面図である。 その他の燃料電池スタックの一部を分解し、模式的に示す斜視図である。 更に他の燃料電池スタックの集電板に第２出力端子が接続された状態を示す平面図である。
　以下、本発明が適用された燃料電池スタックとして、固体酸化物形燃料電池スタックを例に挙げて説明する。
　ａ）まず、本実施例１の燃料電池スタックの概略構成について説明する。
　図１に示すように、本実施例１の固体酸化物形燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池スタック」と称する）１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気、詳しくは空気中の酸素）との供給を受けて発電を行う装置である。
　なお、図面においては、酸化剤ガスは「Ｏ」で示し、燃料ガスは「Ｆ」で示す。また、「ＩＮ」はガスが導入されることを示し、「ＯＵＴ」はガスが排出されることを示す。なお、燃料電池スタック１において上下とは、便宜上、図１及び図２における上下方向を示すものであり、燃料電池スタック１の方向性を決めるものではない。
　本実施例１における燃料電池スタック１は、図１の上下方向（積層方向：第１方向）の両端（即ち上下両端）に配置された第１エンドプレート３及び第２エンドプレート５と、その間に配置された平板状の複数（例えば２０段）の発電単位７と、後述する集電板９などが積層された燃料電池スタックである。
　上下両端のエンドプレート３、５と各発電単位７と集電板９等には、それらを積層方向に貫く複数（例えば８個）の貫通孔１０が設けられている。その貫通孔１０に配置された各ボルト１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ（１１と総称する）と各ボルト１１に螺合する各ナット１２とによって、両エンドプレート３、５と各発電単位７と集電板９等とが、絶縁体８（図７参照）を介して一体に固定されている。
　また、ボルト１１のうちの特定（４本）のボルト１１ｂ、１１ｄ、１１ｆ、１１ｈには、軸方向（図１の上下方向）に沿って、酸化剤ガス又は燃料ガスが流れる内部流路１４が形成されている。なお、ボルト１１ｂは燃料ガスの排出に用いられ、ボルト１１ｄは酸化剤ガスの排出に用いられ、ボルト１１ｆは燃料ガスの導入に用いられ、ボルト１１ｈは酸化剤ガスの導入に用いられる。
　そして、燃料電池スタック１から電力を取り出すために、後に詳述するように、上方の第１エンドプレート３には、第１出力端子１３が接続され、下方の集電板９には、第２出力端子１５が接続されている。
　なお、以下では、発電単位７が積層された部分を、スタック本体２０と称する。
　ｂ）次に、発電単位７等の構成について、詳しく説明する。
　なお、図２～図５においては、燃料電池スタック１の構成が分かりやすいように、縦・横の寸法は適宜設定してあり、各部材の個数等も適宜設定してある。
　図２及び図３に模式的に示すように、発電単位７とは、燃料電池単セル１７の厚み方向（図２の上下方向）の両側に、インターコネクタ１９ａ、１９ｂ（１９と総称する）等を備えたものである。なお、燃料電池スタック１の第２エンドプレート５側（図２の下端側）の発電単位７の構成は、他の発電単位７とは多少異なるので、後に詳細に説明する。
詳しくは、（下端以外の）各発電単位７は、金属製のインターコネクタ１９ａと、空気極絶縁フレーム２３と、金属製のセパレータ２５と、金属製の燃料極フレーム２７と、金属製のインターコネクタ１９ｂ等が積層されたものである。なお、燃料電池スタック１においては、隣接する発電単位７同士では、間に配置されたインターコネクタ１９を共用している。また、積層された各部材１９、２３～２７には、各ボルト１１が挿通される各貫通孔１０が形成されている。
　このうち、セパレータ２５には、後述するように、燃料電池単セル１７が接合されている。空気極絶縁フレーム２３の枠内の流路（酸化剤ガスが流れる空気流路）３１には、インターコネクタ１９と一体の凸状の空気極集電体３３（図２参照）が配置されている。燃料極フレーム２７の枠内の流路（燃料ガスが流れる燃料流路）３５には、燃料極集電体３７が配置されている。
　なお、燃料電池スタック１においては、隣接する発電単位７は間のインターコネクタ１９を共用している。
　以下、各構成について、更に詳しく説明する。
　＜インターコネクタ１９＞
　インターコネクタ１９は、導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）からなる。このインターコネクタ１９は、燃料電池単セル１７間の導通を確保し、且つ、燃料電池単セル１７間（従って発電単位７間）でのガスの混合を防止するものである。なお、インターコネクタ１９は、隣接する燃料電池単セル１７間に配置される場合は、１枚配置されていればよい。
　このインターコネクタ１９は、図４に示すように、方形の板材である板状部４１と、板状部４１の一方の面、詳しくは空気極５５（図２参照）に対向する面に形成された多数の空気極集電体３３とを備えている。
　この空気極集電体３３は、ブロック状（直方体形状）であり、板状部４１から空気極５５に向かって突出するように、格子状に縦・横に複数列配置されている。
　＜空気極絶縁フレーム２３＞
図３に戻り、空気極絶縁フレーム２３は、電気絶縁性を有する四角枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。この空気極絶縁フレーム２３には、（厚み方向から見た平面視で）その中央部に、空気流路３１を構成する方形の開口部２３ａが形成されている。
　また、空気極絶縁フレーム２３において、対向する一対の貫通孔１０（１０ｄ、１０ｈ）が設けられた各辺の枠部分には、各貫通孔１０と連通するように、それぞれ長尺の連通孔４３ｄ、４３ｈが設けられている。更に、空気極絶縁フレーム２３には、各連通孔４５ｄ、４５ｈと開口部２３ａとを連通するように、空気が通過する部分（連通部）として、複数の溝４７ｄ、４７ｈが設けられている。
　＜セパレータ２５＞
　セパレータ２５は、四角枠状の導電性を有する板材（例えばＳＵＳ４３０等のステンレス鋼等の金属板）である。このセパレータ２５には、その中央部の方形の開口部２５ａに沿った内周縁部（下面側）に、燃料電池単セル１７の外周縁部（上面側）がろう付け接合されている。つまり、燃料電池単セル１７は、セパレータ２５の開口部２５ａを閉塞するように接合されている。
　＜燃料極フレーム２７＞
　燃料極フレーム２７は、導電性を有する例えばＳＵＳ４３０等のステンレスなどからなる四角枠状の板材である。この燃料極フレーム２７には、（平面視で）その中央部に、燃料流路３５を構成する方形の開口部２７ａが形成されている。
　また、燃料極フレーム２７において、対向する一対の貫通孔１０（１０ｂ、１０ｆ）は長孔とされており、この長孔と開口部２７ａを連通するように、各連通孔５７ｂ、５７ｆが設けられている。
　＜燃料極集電体３７＞
　燃料極集電体３７は、図５に示すように、マイカ製の芯材であるスペーサ６１と導電部材である金属製の導電板（例えばニッケル製の平板形状の箔）６３とが組み合わされた公知の格子状の部材（例えば特開２０１３－５５０４２号公報に記載の集電部材１９参照）である。
　詳しくは、燃料極集電体３７は、多数の長孔６１ａが平行に開けられたスペーサ（梯子マイカ）６１と、スペーサ６１に導電板６３自身の各接合片６３ａが折り曲げて取り付けられた導電板６３とから構成されている。
　＜燃料電池単セル１７＞
　図２に戻り、燃料電池単セル１７は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの構造を有しており、薄膜の固体電解質（固体電解質層）５１と、その一方の側（図２の下方）に形成された燃料極（アノード）５３と、他方の側（図２の上方）に形成された薄膜の空気極（カソード）５５とが一体に積層されたものである。
　また、セパレータ２５は、固体電解質層５１の外周縁部の上面に接合されているので、このセパレータ２５により、発電単位７の内部において、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合しないように、空気流路３１と燃料流路３５とが分離されている。
　なお、燃料電池単セル１７の空気極５５側に空気流路３１が設けられ、燃料極５３側に燃料流路３５が設けられており、空気流路３１における空気の流れる方向は、図２の左右
方向であり、燃料流路３５における燃料ガスの流れる方向は、紙面と垂直方向である。
　ここで、燃料電池単セル１７の構造について、更に詳しく説明する。
　空気極５５は酸化剤ガスが通過できる多孔質の層である。
　この空気極５５を構成する材料としては、金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物を挙げることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ等の金属やそれらの合金が挙げられる。金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ等の酸化物、例えばＬａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＦｅＯが挙げられる。
　複合酸化物としては、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ等を含有する複合酸化物（Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｌａ１－ｘＳｒｘＦｅＯ３系複合酸化物、Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏ１－ｙＦｅｙＯ３系複合酸化物、Ｌａ１－ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物、Ｐｒ１－ｘＢａｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｓｍ１－ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物）などを使用できる。
　固体電解質層５１は固体酸化物からなる緻密な層であり、燃料電池スタック１の運転時（発電時）に、空気極５５に導入される酸化剤ガス（酸素）をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。
　固体電解質層５１を構成する材料としては、例えば、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料では、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）を挙げることができ、一般的には、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用される例が多い。セリア系材料では、いわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料では、ランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。
　燃料極５３は燃料ガスが通過できる多孔質の層である。
　この燃料極５３を構成する材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ２系セラミック、ＣｅＯ系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ｎｉ等の金属、或いは、Ｎｉと前記セラミックとのサーメットやＮｉ基合金を使用できる。
　ｃ）次に、燃料電池スタック１の積層方向の端部において、燃料電池スタック１から電力を取り出すための構成について説明する。
　＜第１エンドプレート３側の構成＞
図２に示すように、燃料電池スタック１の最上段の発電単位７においては、その上部のインターコネクタ１９ａの上面には、平面視でインターコネクタ１９ａと外周形状が同様な平面形状の板材である第１エンドプレート３が配置されている。なお、第１エンドプレート３は、インターコネクタ１９と同様な材料からなる。
　そして、前記図１に示すように、第１エンドプレート３の上面には、第１出力端子（＋電極の出力端子）１３が、ボルト６０によって固定されている。
　詳しくは、第１出力端子１３は、先端部１３ａと延出部１３ｂとが垂直に曲げられたＬ字状の板材であり、その先端部１３ａがボルト６０によって第１エンドプレート３に固定されている。
　この第１出力端子１３は、インターコネクタ１９ａ及び第１エンドプレート３より低抵抗な材料、例えばニッケル又はニッケル合金からなる。
　これによって、上端のインターコネクタ１９ａ及び第１エンドプレート３と第１出力端
子１３とが電気的に接続されている。
　＜第２エンドプレート５側の構成＞
　図２に示すように、燃料電池スタック１の最下段の発電単位７においては、燃料極フレーム２７及び燃料極集電体３７の下面に接するように、上述したインターコネクタ１９ｂに代えて、集電板９が配置されている。
　また、集電板９の下方には、端部絶縁プレート６４が積層され、端部絶縁プレート６４の下方には、第２エンドプレート５が積層されている。
　このうち、端部絶縁プレート６４は、空気極絶縁フレーム２３と同様なマイカからなり、平面視でインターコネクタ１９と外周形状が同様な平面形状の板材である。また、第２エンドプレート５は、第１エンドプレート３と同様な材料からなる同様な平面形状の部材である。
　また、上述した集電板９は、図６（ａ）に示すように、スタック本体２０の平面形状と同形状（方形）の集電部６５と、集電部６５の外周（従って平面視でスタック本体２０の外周）より外側に突出する突出部６７とを備えている。なお、集電板９は、インターコネクタ１９と同様な材料からなる。
　この集電部６５のうち、外周を構成する四角枠状の縁部６９には、他の燃料極フレーム２７等と同様に、前記ボルト１１が挿通される貫通孔１０が、等間隔で８箇所（即ち縁部６９の四隅と各辺の中点に対応する位置）に形成されている。
　つまり、集電部６５は、平面視で、発電単位７が重なり合う領域に配置されており、集電部６５の縁部６９の内側には、燃料極集電体３７が配置された方形の集電エリア７０（図６の斜線部分）が形成されている。
　また、図６（ｂ）に示すように、突出部６７は、縁部６９の１つの辺（右辺）に対応する部分において、隣接する一対の貫通孔１０（例えば貫通孔１０ｃ、１０ｄ）が配置された縁部６９の外周から外側に突出するように形成されている。即ち、突出部６７は、貫通孔１０ｃ、１０ｄの間の縁部６９の外周の右辺から、右辺に対して垂直に外側に突出するように形成されている。なお、突出部６７の先端側には、突出部貫通孔７１が形成されている。
　更に、図７に示すように、突出部６７と第２出力端子１５とは、ボルト７５及びナット７７によって接続されている。
　この第２出力端子１５は、先端部１５ａと延出部１５ｂとが垂直に曲げられたＬ字状の板材であり、先端部１５ａには、突出部貫通孔７１と同形状の端子貫通孔７３が開けられている。なお、第２出力端子１５は、例えばステンレス等の導電材料からなる。この第２出力端子１５の材料としては、集電板９よりも電気抵抗の低い材料（例えばニッケル又はニッケル合金）を用いてもよい。
　そして、突出部６７の上に第２出力端子１５の先端部１５ａが重ね合わされ、端子貫通孔７３と突出部貫通孔７１にボルト７５の軸部７５ａが通され、この軸部７５ａに螺合するようにナット７７が取り付けられている。ことによって、突出部６７と第２出力端子１５とが一体に固定されて、集電板９と第２出力端子１５とが電気的に接続されている。
　特に本実施例１では、図８に示すように、突出部６７と第２出力端子１５の先端部１５ａとが重ね合わされる範囲等が設定されている。
　詳しくは、突出部６７と第２出力端子１５とが接触して電気的接続を行う部分（突出部
貫通孔７１と端子貫通孔７３を含む）が、接続領域ＳＲ（図８の斜線部分）として設定されている。
　この接続領域ＳＲは、一方の貫通孔１０ｃの図心と他方の貫通孔１０ｄの図心とを結ぶ線分ＳＢに垂直に交差し一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、前記線分ＳＢに垂直に交差し他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間に存在するように設定されている。
　つまり、突出部６７と第２出力端子１５とが電気的に接続される接続領域ＳＲは、一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲、即ち、平行な線Ｌ１、Ｌ２の間の接続可能範囲ＳＫＨ内に形成されている。
　また、第２出力端子１５の短辺のうち少なくとも一辺（ここでは、長方形の短辺である先端部１５ａの先端の辺）が、接続可能範囲ＳＫＨ内に配置されている。
　更に、接続領域ＳＲの全体が、接続可能範囲ＳＫＨ内に配置されている。
　その上、突出部６７は、平面視で、突出方向の先端側より根元側の幅が徐々に大きくなっている。つまり、突出部６７の根本側の幅が先端側の幅より大きくなるように、根本側の幅方向における両側は、円弧を描くように緩やかに湾曲して広がっている。ここで幅方向とは、第１方向から見た場合の、突出部６７が突出する方向と垂直な方向である。
　ｄ）次に、燃料電池スタック１の製造方法について、簡単に説明する。
　［各部材の製造工程］
　まず、例えばＳＵＳ４３０からなる各板材（即ち必要な厚みの各板材）を打ち抜いて、両エンドプレート３、５、集電板９、インターコネクタ１９、燃料極フレーム２７、セパレータ２５、燃料極集電体３７の導電板６３を作製した。
　なお、インターコネクタ１９の一方の表面には、切削加工によって、空気極集電体３３を形成した。
　また、マイカシートに対して、パンチング加工などによって、空気極絶縁フレーム２３や端部絶縁プレート６４を作製した。
　更に、マイカシートに対して、パンチング加工によって、スペーサ６１を作製し、導電板６３に切り込みを入れ、この導電板６３をスペーサ６１に取り付けて、燃料極集電体３７を作製した。
　［燃料電池単セル１７の製造工程］
　燃料電池単セル１７を、定法に従って製造した。
　具体的には、まず、燃料極５３を形成するために、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）粉末と酸化ニッケル粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、燃料極ペーストを作製した。そして、この燃料極ペーストを用いて、周知のドクターブレード法によって燃料極グリーンシートを作製した。
　また、固体電解質層５１を作製するために、例えば、ＹＳＺ粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、固体電解質ペーストを作製した。そして、この固体電解質ペーストを用いて、ドクターブレード法によって固体電解質グリーンシートを作製した。
　次に、燃料極グリーンシート上に、固体電解質グリーンシートを積層した。そして、その積層体を、所定温度で加熱して焼結させて、焼結積層体を形成した。
　また、空気極５５を形成するために、例えば、Ｌａ１－ｘＳｒｘＣｏ１－ｙＦｅｙＯ３粉末とバインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極ペーストを作製した。
　次に、前記焼結積層体における固体電解質層５１の表面に、空気極ペーストを印刷した。そして、その印刷した空気極ペーストを、焼成によって緻密とならないように、所定温度にて焼成して、空気極５５を形成した。
　これにより燃料電池単セル１７が完成した。なお、燃料電池単セル１７には、セパレータ２５にろう付けして固定した。
　［燃料電池スタック１の製造工程］
　次に、上述した各部材を、前記図２に示す順に組み合わせて、積層体を構成し、この積層体の貫通孔１０にボルト１１を嵌め込むとともに、各ボルト１１にナット１２を螺合させて締め付けて、積層体を押圧して一体化して固定した。
　これによって、本実施例１の燃料電池スタック１が完成した。
　ｅ）次に、本実施例１の効果について説明する。
　本実施例１では、集電板９の突出部６７と第２出力端子１５とが電気的に接続される接続領域ＳＲは、一方の貫通孔１０ｃの外周に接する第１の接する線Ｌ１と、他方の貫通孔１０ｄの外周に接する第２の接する線Ｌ２との間の帯状の範囲（即ち接続可能範囲ＳＫＨ）内に形成されている。
　従って、燃料電池スタック１にて発電された電力（電流）は、貫通孔１０によってその流れが妨げられにくいので（即ち電気抵抗が低いので）、集電板９の集電部６５から突出部６７を介して第２出力端子１５に供給され易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタック１の性能を向上することができるという顕著な効果を奏する。
　しかも、上述のように設定された接続領域ＳＲを有する突出部６７は、コンパクトに構成できるので、発電単位７が積層されたスタック本体２０からの熱引きを抑制できるという利点がある。
　また、本実施例１では、第２出力端子１５の先端の短辺が、接続可能範囲ＳＫＨ内に配置されているので、集電部６５から突出部６７を介して第２出力端子１５の短辺の周囲に（従って第２出力端子１５自身）に電流が流れ易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタック１の性能を向上することができる。
　更に、本実施例１では、接続領域ＳＲの全体が、接続可能範囲ＳＫＨ内に配置されているので、この点からも、集電部６５から突出部６７の接続領域ＳＲに電流が流れ易い。よって、電圧ロスが少なく、燃料電池スタック１の性能を向上することができる。
　その上、本実施例１では、突出部６７は、平面視で、突出方向の先端側より根元側の幅が徐々に大きくなっているので、一層、集電部６５から突出部６７に電流が流れ易い。また、突出部６７の根元側の強度がより大きく、破損しにくいという利点がある。
　次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例２では、集電板の構成が実施例１と異なるので、異なる点を説明する。なお、実施例１と同様な部材の番号は同じ番号を使用する（以下同様）。
　具体的には、本実施例２では、図９（ａ）に示すように、集電板８１は、集電部８３と突出部８５とを備えており、そのうち、突出部８５の平面形状は台形である。つまり、突
出部８５は、先端側より根本側の幅が徐々に広くなっている。
　本実施例２においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
　また、この変形例として、図９（ｂ）に示すように、突出部８７の平面形状を、先端側から根本側にかけて一定の幅の長方形としてもよい。
　次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例３では、第２出力端子の構成が実施例１と異なるので、異なる点を説明する。
　具体的には、本実施例３では、図９（ｃ）に示すように、第２出力端子９１の先端が台形である。
　本実施例３においても、前記実施例１と同様な効果を奏する。
　また、この変形例として、図９（ｄ）に示すように、第２出力端子９３の先端を半円形等の曲線としてもよい。
　次に、実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例４では、貫通孔の平面形状が実施例１と異なるので、異なる点を説明する。
　具体的には、本実施例４では、図１０（ａ）に示すように、貫通孔１０１の平面形状が方形（正方形）である。
　この正方形の貫通孔１０１の場合でも、前記実施例１と同様に、第１の接する線Ｌ１と第２の接する線Ｌ１とから、帯状の接続可能範囲ＳＫＨを設定することができる。
　また、この変形例として、図１０（ｂ）に示すように、貫通孔１１１の平面形状を他の多角形（例えば六角形）としてもよい。
　なお、図示しないが、貫通孔が曲線の内周を有する貫通孔であっても、同様にして、接続可能範囲ＳＫＨを設定することができる。
　次に、実施例５について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例５では、実施例１の第１エンドプレート側の構成を、第２エンドプレート側と同様な構成としたものである。
　具体的には、本実施例５では、図１１に示すように、燃料電池スタック１２１の最上段の発電単位７においては、上部のインターコネクタ１９ａの上面に、実施例１と同様な集電板１２３が積層されている。
　更に、集電板１２３の上面には、実施例１と同様な端部絶縁プレート１２５が積層され、端部絶縁プレート１２５の上面には、実施例１と同様な第１エンドプレート１２７が積層されている。
　このうち、集電板１２３は、実施例１と同様に、（平面視で）方形の集電部１２９の外周から突出部１３１が突出したものである。
　なお、図示しないが、この突出部１３１に、第２出力端子１５と同様にして第１出力端子１３が接続される。
　次に、実施例６について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例６では、燃料電池スタックの積層方向における端部の構成が実施例１と異なるので、異なる点を説明する。
　具体的には、本実施例６では、図１２に示すように、燃料電池スタック１４１の下端側において、実施例１の第２エンドプレートを省略し、集電板１４３を第２エンドプレートとして用いる。
　この場合は、集電板１４３の厚みを、第２エンドプレートとして十分な強度を有する厚み（例えば第２エンドプレートの厚み以上）とすることが好ましい。
　なお、ここでは、実施例１と同様に、絶縁体８を介して、ボルト１１及びナット１２によって、集電板１４３が直接に締め付けられる。
また、本実施例６の変形例として、実施例１の第１エンドプレートを省略してもよい。つまり、図２の上端に位置する発電単位７の上部のインターコネクタ１９ａを、第１エンドプレートとして用いて、そのインターコネクタ１９ａに第１出力端子１３を取り付けてもよい。その場合は、インターコネクタ１９ａの厚みを、十分な強度を有する厚み（例えば第１エンドプレートの厚み以上）とすることが好ましい。
　同様に、前記実施例５において、第１エンドプレート及び端部絶縁プレートを省略し、上端のインターコネクタを第１エンドプレートとして用いてもよい。
　以上、本発明の実施例などについて説明したが、本発明は、前記実施例などに限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
　（１）例えば、本発明は、前記各実施例のような板状の発電単位ではなく、図１３に示すように、内部にガス流路１５１が設けられた扁平筒形状の発電単位１５３を複数配列した燃料電池スタック１５５などにも適用できる。
　具体的には、扁平筒形状の複数の発電単位１５３を、その厚み方向に並べて配置し、その配置方向の両端に、集電板を兼ねるエンドプレート１５７を配置した燃料電池スタック１５５が挙げられる。この場合には、エンドプレート１５７に、前記各実施例と同様に、集電部１５９より（貫通孔１６１の間の位置にて）外周側に突出する突出部１６３を設ければよい。
　（２）また、図１４に示すように、平面視で、集電板１７１に、実施例１の突出部６７より幅（図１４の上下方向の寸法）の広い突出部１７３を設けてもよい。例えば、突出部１７３の幅として、集電板１７１の幅よりも狭く集電エリア７０の幅よりも広い寸法に設定してもよい。
　（３）また、突出部は、その全体が接続可能範囲にあることが好ましいが、一部が接続可能範囲外にあってもよい。例えば、突出部の根元側の幅が広い場合には、根元側の一部が接続可能範囲外に広がっていてもよい。
　（４）前記各実施例では、インターコネクタと空気極集電体は一体の構成であるが、インターコネクタと空気極集電体とを別体の部材で構成し、それらをろう材等によって接合してもよい。例えば平板状のインターコネクタの一方の表面に、ブロック状や長尺の集電体を接合してよい。
　（５）燃料極集電体としては、前記各実施例の構成以外に、座屈しない多孔質金属等の材料など既知の集電体を用いてもよい。
　（６）なお、各実施例の構成を、適宜他の実施例に適用して組み合わせてもよい。
　１、１２１、１４１、１５５…燃料電池スタック
　３、５、１２７、１５７…エンドプレート
　７、１５３…発電単位
　９、８１、１２３、１４３、１７１…集電板
　１０、１０ｃ、１０ｄ、１０１、１１１、１６１…貫通孔
　１７…燃料電池単セル
　１３、１５、９１、９３…出力端子
　１９、１９ａ、１９ｂ、１２５…インターコネクタ
　３３…空気極集電体
　３７…燃料極集電体
　５１…固体電解質層
　５３…燃料極
　５５…空気極
　６５、８３、１２９、１５９…集電部
　６７、８５、８７、１３１、１６３、１７３…突出部
　７０…集電エリア
　ＳＲ…接続領域

Claims (5)

  1. 　燃料極と空気極と固体電解質とを有する燃料電池単セルを備えた発電単位と、
    　前記燃料電池単セルによって発電された電力を集電体を介して集電する集電板と、
    　を備え、
    　前記発電単位が複数個連続して配置され、且つ、前記発電単位が連続する第１方向に前記集電板が配置された燃料電池スタックにおいて、
    　前記第１方向から見た場合に、
    　前記集電板は、前記発電単位が重なり合う領域に配置された集電部と、前記集電部から突出する突出部と、を備えており、
    　前記集電部は、前記集電体が配置された集電エリアと、隣り合う第１貫通孔及び第２貫通孔を含む複数の貫通孔と、を有し、
    　前記突出部は、前記燃料電池スタックで発電した電気を該燃料電池スタック外部に出力する出力端子が電気的に接続されている接続領域を有し、
    　前記接続領域は、前記第１貫通孔の図心と前記第２貫通孔の図心とを結ぶ線分に垂直に交差し前記第１貫通孔の外周に接する第１の接する線と、前記線分に垂直に交差し前記第２貫通孔の外周に接する第２の接する線と、の間に存在することを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 　前記出力端子は、前記集電板よりも電気抵抗の小さい部材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 　前記第１方向から見た場合に、前記接続領域の全体が、前記第１の接する線と前記第２の接する線との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
  4. 　前記第１方向から見た場合に、前記突出部は、突出方向の先端側より根元側の幅が大きいことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
  5. 　前記第１方向から見た場合に、前記突出部の幅は、前記根元側に向かって漸次広がっていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
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