特開 2023-45435 電気化学反応セルスタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023045435

(43)【公開日】2023-04-03

(54)【発明の名称】電気化学反応セルスタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20230327BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20230327BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20230327BHJP

   C25B 9/65 20210101ALI20230327BHJP

   C25B 9/77 20210101ALI20230327BHJP

   B23K 11/14 20060101ALI20230327BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20230327BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230327BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/02

C25B9/00 A

C25B9/65

C25B9/77

B23K11/14

C25B1/042

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021153834

(22)【出願日】2021-09-22

(71)【出願人】

【識別番号】519322392

【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001911

【氏名又は名称】弁理士法人アルファ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大橋 駿太

(72)【発明者】

【氏名】後藤 宏太

【テーマコード（参考）】

4K021

5H126

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA03

4K021CA07

4K021DB04

4K021DB40

4K021DB43

4K021DB53

4K021DC03

4K021EA05

5H126AA28

5H126BB05

5H126BB06

5H126FF09

(57)【要約】

【課題】溶接部における電気抵抗の上昇（ひいては、電気化学反応セルスタックの発電性能の低下）を抑制する。
【解決手段】電気化学反応セルスタックは、単セルをそれぞれ含む複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、電気化学反応ブロックの第１の方向の一方側と他方側とに配置された一対の内部端子部材とを備える。接続部材は、一端部が内部端子部材に接合されており、かつ、内部端子部材に電気的に接続され、他端部が外部端子に接続される。電気化学反応セルスタックは、一対の内部端子部材の一方に接合された接続部材を複数備える。内部端子部材と接続部材との一方は、少なくとも１つの突起部を有し、かつ、突起部が、内部端子部材と接続部材との他方に溶接部を介して接合されている。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを有する単セルをそれぞれ含む複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、
前記電気化学反応ブロックの前記第１の方向の一方側と他方側とに配置された一対の内部端子部材であって、前記電気化学反応ブロックと電気的に接続された一対の内部端子部材と、
前記一対の内部端子部材のそれぞれについて設けられ、一端部が前記内部端子部材に接合されており、かつ、前記内部端子部材に電気的に接続され、他端部が外部端子に接続される接続部材と、
を備える、電気化学反応セルスタックにおいて、
前記一対の内部端子部材の一方である第１内部端子部材に接合された前記接続部材である第１接続部材を複数備え、
前記第１内部端子部材と前記第１接続部材との一方は、少なくとも１つの突起部である第１突起部を有し、かつ、前記第１突起部が、前記第１内部端子部材と前記第１接続部材との他方に溶接部を介して接合されている、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学反応セルスタックであって、
前記第１突起部の個数は３つであり、
前記第１内部端子部材と前記第１接続部材との他方のうち、３つの前記第１突起部と接合される表面は平面である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の電気化学反応セルスタックであって、
前記一対の内部端子部材の他方である第２内部端子部材に接合された前記接続部材である第２接続部材を複数備え、
前記第２内部端子部材と前記第２接続部材との一方は、少なくとも１つの突起部である第２突起部を有し、かつ、前記第２突起部が、前記第２内部端子部材と前記第２接続部材との他方に溶接部を介して接合されている、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

【請求項4】

請求項３に記載の電気化学反応セルスタックであって、
前記第２突起部の個数は３つであり、
前記第２内部端子部材と前記第２接続部材との他方のうち、３つの前記第２突起部と接合される表面は平面である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。

【背景技術】

【0002】

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の１つとして、固体酸化物形の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という。）が知られている。ＳＯＦＣは、一般に、燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、それぞれ燃料電池単セル（以下、単に「単セル」という。）を有する複数の燃料電池発電単位（以下、単に「発電単位」という。）が所定の方向に並べて配置された構造体である発電ブロックを備える。単セルは、電解質層と、電解質層を挟んで上記所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを備える。

【0003】

燃料電池スタックは、各発電単位で発電した電気を集めて取り出すための部材として、一対の内部端子部材と、一対の内部端子部材のそれぞれについて設けられた接続部材（例えば、バスバー）とを備える（例えば、特許文献１参照）。一対の内部端子部材は、発電ブロックの第１の方向の一方側と他方側とに配置され、発電ブロックと電気的に接続されている。接続部材は、一対の内部端子部材のそれぞれについて１つずつ接合されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１１４４３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のような燃料電池スタックにおいて内部端子部材と接続部材とが接合された構成として、プロジェクション溶接により接合された構成がある。プロジェクション溶接により接合された構成とは、内部端子部材と接続部材との一方が突起部を有し、かつ、当該突起部が内部端子部材と接続部材との他方に溶接部を介して接合されている構成である。

【0006】

ところで、上記従来の燃料電池スタックにおいて、上記溶接部の断面積（換言すれば、電流通過断面積）が小さいほど、溶接部における電気抵抗が上昇することにより、燃料電池スタックの発電性能が低下する。この点に鑑みると、溶接部の断面積は大きいほど好ましい。

【0007】

上記従来の燃料電池スタックにおいて、溶接部の断面積を大きくするために、上記突起部の寸法を大きくしたり、突起部の個数を多くしたりすることが考えられる。しかしながら、突起部の寸法を大きくしたり、突起部の個数を多くしたりすると、製造時において、内部端子部材と接続部材とをプロジェクション溶接により接合する工程の際に、内部端子部材と接続部材との間における電気抵抗が低下することに起因して発熱が生じにくくなり、これにより、内部端子部材と接続部材との間の溶接不良や接触不良などの不具合が生じやすくなる。従って、突起部の寸法を大きくしたり、突起部の個数を多くしたりしなくても、上記従来の燃料電池スタックと比較して、溶接部における電気抵抗の上昇（ひいては、燃料電池スタックの発電性能の低下）を抑制可能なものが望まれている。

【0008】

なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」という。）の一形態である電解セルスタックにも共通の課題である。なお、電解セルスタックは、それぞれ電解単セルを有する複数の電解セル単位が所定の方向に並べて配置された構造体である電解ブロックを備える構造体である。本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池発電単位と電解セル単位とをまとめて電気化学反応単位と呼び、発電ブロックと電解ブロックとをまとめて電気化学反応ブロックと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、ＳＯＦＣやＳＯＥＣに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。

【0009】

本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

【0011】

（１）本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、電解質層と前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを有する単セルをそれぞれ含む複数の電気化学反応単位が第１の方向に並べて配置された電気化学反応ブロックと、前記電気化学反応ブロックの前記第１の方向の一方側と他方側とに配置された一対の内部端子部材であって、前記電気化学反応ブロックと電気的に接続された一対の内部端子部材と、前記一対の内部端子部材のそれぞれについて設けられ、一端部が前記内部端子部材に接合されており、かつ、前記内部端子部材に電気的に接続され、他端部が外部端子に接続される接続部材と、を備える、電気化学反応セルスタックにおいて、前記一対の内部端子部材の一方である第１内部端子部材に接合された前記接続部材である第１接続部材を複数備え、前記第１内部端子部材と前記第１接続部材との一方は、少なくとも１つの突起部である第１突起部を有し、かつ、前記第１突起部が、前記第１内部端子部材と前記第１接続部材との他方に溶接部を介して接合されている。

【0012】

本電気化学反応セルスタックでは、上述したように、第１内部端子部材に接合された第１接続部材を複数備える。換言すれば、第１内部端子部材に第１接続部材が２つ以上接合されている。そのため、本電気化学反応セルスタックの運転時においては、第１内部端子部材および第１接続部材を通る電流が分散することにより、第１内部端子部材に第１接続部材が１つだけ接合されている従来の構成と比較して、第１内部端子部材と第１接続部材とを接合する溶接部における電気抵抗の上昇が抑制される。従って、本電気化学反応セルスタックによれば、第１突起部の寸法を大きくしたり、第１突起部の個数を多くしたりしなくても、上記従来の構成と比較して、溶接部における電気抵抗の上昇に起因する上記電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。

【0013】

（２）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第１突起部の個数は３つであり、前記第１内部端子部材と前記第１接続部材との他方のうち、３つの前記第１突起部と接合される表面は平面である、構成としてもよい。

【0014】

仮に、第１接続部材が有する第１突起部の個数が１つまたは２つである構成においては、第１内部端子部材と第１接続部材とをプロジェクション溶接により接合する工程（以下、「接合工程」という。）の際に、第１内部端子部材と第１接続部材とを溶接用電極で挟み込んだときの安定性が確保されにくい等の理由から作業効率が悪くなる。また、第１接続部材が有する第１突起部の個数が４つ以上である構成においては、４つ以上の第１突起部それぞれの頂点が互いに共通の仮想平面上に位置していない限り、接合工程において、ある特定の３つの第１突起部を除いた残りの第１突起部と、当該表面との間の溶接不良や接触不良などの不具合が生じやすくなる。これらの構成と比較して、本電気化学反応セルスタックにおいては、第１突起部の個数が３つであることにより、接合工程における作業性が向上し、容易に製造することができる。

【0015】

（３）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記一対の内部端子部材の他方である第２内部端子部材に接合された前記接続部材である第２接続部材を複数備え、前記第２内部端子部材と前記第２接続部材との一方は、少なくとも１つの突起部である第２突起部を有し、かつ、前記第２突起部が、前記第２内部端子部材と前記第２接続部材との他方に溶接部を介して接合されている、構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックにおいては、上述した第１内部端子部材および第１接続部材における理由と同様の理由から、第２突起部の寸法を大きくしたり、第２突起部の個数を多くしたりしなくても、第２内部端子部材と第２接続部材とを接合する溶接部における電気抵抗の上昇に起因する上記電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。よって、本電気化学反応セルスタックによれば、特に効果的に、上記電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。

【0016】

（４）上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第２突起部の個数は３つであり、前記第２内部端子部材と前記第２接続部材との他方のうち、３つの前記第２突起部と接合される表面は平面である、構成としてもよい。そのため、上述した第１内部端子部材および第１接続部材における理由と同様の理由から、第２突起部の寸法を大きくしたり、第２突起部の個数を多くしたりしなくても、第２内部端子部材と第２接続部材とを接合する溶接部における電気抵抗の上昇に起因する上記電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。よって、本電気化学反応セルスタックによれば、特に効果的に、上記電気化学反応セルスタックの性能の低下を抑制することができる。

【0017】

なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応セルスタック（燃料電池スタックまたは電解セルスタック）およびその製造方法等の形態で実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図

【図2】図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図

【図3】図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図

【図4】図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図

【図5】図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図

【図6】本実施形態の燃料電池スタック１００における上側バスバー６０と上側集電板１１とを接合する溶接部８０周辺の構成を示す説明図

【図7】上側バスバー６０と上側集電板１１とを接合する工程を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0019】

Ａ．本実施形態：
Ａ－１．燃料電池スタック１００の構成：
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ－ＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。燃料電池スタック１００は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックの一例である。

【0020】

燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）燃料電池発電単位（以下、「発電単位」という。）１０２と、上側エンドプレート１０４と、下側エンドプレート１０６と、上側集電板１１と、下側集電板１５と、上側バスバー６０と、下側バスバー７０とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態ではＺ軸方向）に並べて配置されている。上側集電板１１および下側集電板１５の組は、７つの発電単位１０２から構成される集合体（以下、「発電ブロック１０１」という。）を上下から挟むように配置されている。上側エンドプレート１０４は、上側集電板１１の上側（Ｚ軸正方向側）に配置されている。下側エンドプレート１０６は、下側集電板１５の下側（Ｚ軸負方向側）に配置されている。なお、発電単位１０２は、特許請求の範囲における電気化学反応単位の一例であり、発電ブロック１０１は、特許請求の範囲における電気化学反応ブロックの一例である。上側集電板１１および下側集電板１５の組は、特許請求の範囲における一対の内部端子部材の一例であり、上側バスバー６０と下側バスバー７０とはそれぞれ、特許請求の範囲における接続部材の一例である。Ｚ軸方向は、特許請求の範囲における第１の方向の一例である。

【0021】

燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、上側エンドプレート１０４および下側エンドプレート１０６、上側集電板１１および下側集電板１５）のＺ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上側エンドプレート１０４から下側エンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる貫通孔１０８を構成している。以下の説明では、貫通孔１０８を構成するために燃料電池スタック１００の各層に形成された孔も、貫通孔１０８という場合がある。

【0022】

各貫通孔１０８には上下方向に延びるボルト２２が挿入されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。なお、図２および図３に示すように、ナット２４と各エンドプレート１０４，１０６（または後述するガス通路部材２７）との間には、絶縁シート２６が介在している。

【0023】

各ボルト２２の軸部の外周面と各貫通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図１および図２に示すように、１つのボルト２２（ボルト２２Ａ）と該ボルト２２Ａが挿入された貫通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧ（例えば空気）が導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２の空気室１６６に供給するガス流路である空気極側ガス供給マニホールド１６１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｂ）と該ボルト２２Ｂが挿入された貫通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する空気極側ガス排出マニホールド１６２として機能する。また、図１および図３に示すように、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｄ）と該ボルト２２Ｄが挿入された貫通孔１０８とにより形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧ（例えば水素リッチなガス）が導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２の燃料室１７６に供給する燃料極側ガス供給マニホールド１７１として機能し、他の１つのボルト２２（ボルト２２Ｅ）と該ボルト２２Ｅが挿入された貫通孔１０８とにより形成された空間は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料極側ガス排出マニホールド１７２として機能する。

【0024】

燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の本体部２８の孔は、各ガス通路部材２７の設置位置に設けられた各マニホールド１６１，１６２，１７１，１７２に連通している。

【0025】

（エンドプレート１０４，１０６の構成）
上側エンドプレート１０４および下側エンドプレート１０６は、平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。

【0026】

（集電板１１，１５の構成）
上側集電板１１および下側集電板１５は、平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。上側集電板１１は、発電ブロック１０１の上側（Ｚ軸正方向側）に配置され、下側集電板１５は、発電ブロック１０１の下側（Ｚ軸負方向側）に配置され、上側集電板１１および下側集電板１５は、発電ブロック１０１と電気的に接続されている。上側集電板１１は、Ｚ軸方向視で発電ブロック１０１に重なる本体部１２と、本体部１２からＺ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸正方向）に突出する突出部１３とを有する。下側集電板１５は、Ｚ軸方向視で発電ブロック１０１に重なる本体部１６と、本体部１６からＺ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸正方向）に突出する突出部１７とを有する。上側集電板１１（より詳細には、突出部１３）は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能する。下側集電板１５の（突出部１７）は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。上側集電板１１（より詳細には、本体部１２）と上側エンドプレート１０４との間と、下側集電板１５（より詳細には、本体部１６）と下側エンドプレート１０６との間には、マイカ等の絶縁材５７が介在している。各絶縁材５７には、上記各貫通孔１０８に対応する位置に孔が形成されている。各絶縁材５７によって、上側集電板１１と上側エンドプレート１０４とが電気的に絶縁され、下側集電板１５と下側エンドプレート１０６とが電気的に絶縁されている。

【0027】

（バスバー６０，７０の構成）
上側バスバー６０および下側バスバー７０は、平板形状の導電性部材であり、高温環境下（例えば、７００℃から１０００℃）においても絶縁性被膜を形成しない金属（例えばステンレス）により形成されている。なお、図１および図２では、上側バスバー６０および下側バスバー７０の一部分の図示を省略している。上側バスバー６０の一端部は、上側集電板１１の突出部１３の上面に接しており、突出部１３と溶接部８０を介して接合されている。また、下側バスバー７０の一端部は、下側集電板１５の突出部１７の上面に接しており、突出部１７と溶接部９０を介して接合されている。なお、溶接部８０と溶接部９０とはそれぞれ、特許請求の範囲における溶接部の一例である。バスバー６０，７０と集電板１１，１５とを接合する箇所（溶接部８０，９０の周辺）の構成については、後に詳述する。

【0028】

（発電単位１０２の構成）
図４は、図２に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図であり、図５は、図３に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。

【0029】

図４および図５に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム部材１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム部材１４０と、燃料極側集電体１４４と、一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム部材１３０、燃料極側フレーム部材１４０、インターコネクタ１５０の周縁部には、上述したボルト２２が挿通される貫通孔１０８に対応する孔が形成されている。

【0030】

インターコネクタ１５０は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図２および図３参照）。

【0031】

単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。電解質層１１２は、略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層１１２は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。空気極１１４は、略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極１１４は、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物））により形成されている。燃料極１１６は、略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極１１６は、例えば、Ｎｉと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子（例えば、ＹＳＺ）とからなるサーメットにより形成されている。

【0032】

セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。セパレータ１２０における孔１２１を取り囲む部分は、例えばロウ材を含むロウ付け部１２４により、単セル１１０（電解質層１１２）の周縁部と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画される。

【0033】

空気極側フレーム部材１３０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の空気室用孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばマイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム部材１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。空気極側フレーム部材１３０には、空気極側ガス供給マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通流路１３２と、空気室１６６と空気極側ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通流路１３３とが形成されている。

【0034】

燃料極側フレーム部材１４０は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の燃料室用孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えばステンレスにより形成されている。燃料極側フレーム部材１４０には、燃料極側ガス供給マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通流路１４２と、燃料室１７６と燃料極側ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通流路１４３とが形成されている。

【0035】

空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、複数の略四角柱状の集電体要素１３５から構成されており、例えばステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における空気極側集電体１３４は、空気極１１４と上側集電板１１とを電気的に接続する（図２および図３参照）。

【0036】

燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、電極対向部１４５と、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部１４５は、燃料極１１６の表面に接触しており、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０の表面に接触しており、その結果、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。ただし、燃料電池スタック１００において最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていないため、当該発電単位１０２における燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６と下側集電板１５とを電気的に接続する（図２および図３参照）。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサ１４９が配置されている。

【0037】

Ａ－２．燃料電池スタック１００の動作：
図２および図４に示すように、酸化剤ガスＯＧは、空気極側ガス供給マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）から、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８を介して空気極側ガス供給マニホールド１６１に供給され、空気極側ガス供給マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通流路１３２を介して空気室１６６に供給される。また、図３および図５に示すように、燃料ガスＦＧは、燃料極側ガス供給マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）から、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８を介して燃料極側ガス供給マニホールド１７１に供給され、燃料極側ガス供給マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通流路１４２を介して燃料室１７６に供給される。

【0038】

各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、各発電単位１０２の単セル１１０において酸化剤ガスＯＧに含まれる酸素と燃料ガスＦＧに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能する上側集電板１１および下側集電板１５から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。

【0039】

図２および図４に示すように、各発電単位１０２の空気室１６６から酸化剤ガス排出連通流路１３３を介して空気極側ガス排出マニホールド１６２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧは、空気極側ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）から燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、図３および図５に示すように、各発電単位１０２の燃料室１７６から燃料ガス排出連通流路１４３を介して燃料極側ガス排出マニホールド１７２に排出された燃料オフガスＦＯＧは、燃料極側ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）から燃料電池スタック１００の外部に排出される。

【0040】

Ａ－３．バスバー６０，７０と集電板１１，１５とを接合する溶接部８０，９０周辺の詳細構成：
図６は、本実施形態の燃料電池スタック１００における上側バスバー６０と上側集電板１１とを接合する溶接部８０周辺の構成を示す説明図である。図６には、溶接部８０周辺の上面（ＸＹ平面）構成が示されている。図６では、上側バスバー６０の一部分の図示を省略している。

【0041】

燃料電池スタック１００は、上側バスバー６０を複数（本実施形態では２つ）備える。本実施形態では、各上側バスバー６０は、Ｚ軸方向に直交する方向（より具体的にはＸ軸方向）に延伸する平板形状の部材である。

【0042】

各上側バスバー６０は、一端部（本実施形態では、Ｘ軸負方向側の端部）において３つの突起部６１を有する。各突起部６１は、Ｚ軸負方向に突出している。各上側バスバー６０の３つの突起部６１は、Ｚ軸方向視において正三角形の頂点上に位置している。各突起部６１は、上側集電板１１の突出部１３に溶接部８０を介して接合されている。

【0043】

上側集電板１１のうち、この３つの突起部６１と接合される表面１４は平面である。ここでいう「平面」とは、平面度が５００μｍ以下である面を意味する。なお、後述する表面１８においても同様である。本実施形態では、各溶接部８０は、スポット溶接による溶接部であり、Ｚ軸方向視で略円形である。また、本実施形態では、各上側集電板１１の表面に、溶接部８０が形成されている部分を除いて、アルミナなどの電気抵抗の高い被膜が形成されている。そのため、上側バスバー６０と上側集電板１１との間は、溶接部８０を介して電気的に接続されている。以上で説明したように、燃料電池スタック１００は、上側集電板１１に接合された上側バスバー６０を複数（２個）備える。

【0044】

図７は、上側バスバー６０と上側集電板１１とを接合する工程を示す説明図である。上側バスバー６０と上側集電板１１との接合（換言すれば、溶接部８０の形成）は、上側集電板１１と上側バスバー６０とを溶接用電極ＷＥ１、ＷＥ２で挟み込み、主に上側バスバー６０の突起部６１に電流を集中させつつ、上側バスバー６０と上側集電板１１とを圧着（プロジェクション溶接）することにより実現することができる。

【0045】

また、上側バスバー６０の他端部（本実施形態では、Ｘ軸正方向側の端部）には、外部端子（不図示）と接続される接続部６２が設けられている（図６参照）。本実施形態では、接続部６２は、略円形の貫通孔である。各上側バスバー６０の他端部は、接続部６２を介して同一の外部端子に接続される。

【0046】

なお、図示しないが、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側バスバー７０と下側集電板１５とを接合する溶接部９０周辺の構成も、上側バスバー６０と上側集電板１１とを接合する溶接部８０周辺の構成と同様である。すなわち、燃料電池スタック１００は、下側集電板１５に接合された下側バスバー７０を複数（２個）備える。各下側バスバー７０は、３つの突起部７１を有する。各突起部７１は、下側集電板１５に溶接部９０を介して接合されている。各下側バスバー７０には、同一の外部端子（不図示）と接続される接続部７２が設けられている。また、その他の構成についても、上側バスバー６０と上側集電板１１とを接合する溶接部８０周辺の構成と同様である。

【0047】

Ａ－４．本実施形態の効果：
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック１００は、発電ブロック１０１と、上側集電板１１および下側集電板１５と、複数（本実施形態では２つ）の上側バスバー６０および（本実施形態では２つ）の下側バスバー７０とを備える。発電ブロック１０１は、Ｚ軸方向に並べて配置された複数の発電単位１０２を備える。各発電単位１０２は、単セル１１０を含む。単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで互いに対向する空気極１１４および燃料極１１６とを有する。上側集電板１１は、発電ブロック１０１のＺ軸正方向（Ｚ軸方向の一方）側に配置されている。下側集電板１５は、発電ブロック１０１のＺ軸負方向（Ｚ軸方向の他方）側に配置されている。上側集電板１１および下側集電板１５は、発電ブロック１０１と電気的に接続されている。各上側バスバー６０は、一端部（本実施形態では、Ｘ軸負方向側の端部）が上側集電板１１に接合されており、他端部（本実施形態では、Ｘ軸正方向側の端部）が外部端子に接続される。各上側バスバー６０は、上側集電板１１に電気的に接続される。各下側バスバー７０は、一端部（本実施形態では、Ｘ軸負方向側の端部）が下側集電板１５に接合されており、他端部（本実施形態では、Ｘ軸正方向側の端部）が外部端子に接続される。

【0048】

本実施形態の燃料電池スタック１００は、上側集電板１１に接合された上側バスバー６０を複数備える。各上側バスバー６０は、突起部６１を有する。各突起部６１は、上側集電板１１に溶接部８０を介して接合されている。

【0049】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように、上側集電板１１に接合された上側バスバー６０を複数備える。換言すれば、上側集電板１１に上側バスバー６０が２つ以上接合されている。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００の運転時においては、上側集電板１１および上側バスバー６０を通る電流が分散することにより、上側集電板１１に上側バスバー６０が１つだけ接合されている従来の構成と比較して、溶接部８０における電気抵抗の上昇が抑制される。従って、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、突起部６１の寸法を大きくしたり、突起部６１の個数を多くしたりしなくても、上記従来の構成と比較して、溶接部８０における電気抵抗の上昇に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

【0050】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、各上側バスバー６０が有する突起部６１の個数は３つである。上側集電板１１のうち、この３つの突起部６１と接合される表面１４は平面である。

【0051】

仮に、上側バスバー６０が有する突起部６１の個数が１つまたは２つである構成においては、上側集電板１１と上側バスバー６０とをプロジェクション溶接により接合する工程（以下、「接合工程」という。）の際に、上側集電板１１と上側バスバー６０とを溶接用電極ＷＥ１、ＷＥ２で挟み込んだときの安定性が確保されにくい等の理由から作業効率が悪くなる。また、上側バスバー６０が有する突起部６１の個数が４つ以上である構成においては、４つ以上の突起部６１それぞれの頂点が互いに共通の仮想平面上に位置していない限り、接合工程において、ある特定の３つの突起部６１を除いた残りの突起部６１と、当該表面１４との間の溶接不良や接触不良などの不具合が生じやすくなる。これらの構成と比較して、本実施形態の燃料電池スタック１００においては、上側バスバー６０が有する突起部６１の個数が３つであることにより、接合工程における作業性が向上し、容易に製造することができる。

【0052】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側集電板１５に接合された下側バスバー７０を複数備える。各下側バスバー７０は、突起部７１を有する。各下側バスバー７０が有する突起部７１は、下側集電板１５に溶接部９０を介して接合されている。そのため、上述した上側集電板１１および上側バスバー６０における理由と同様の理由から、突起部７１の寸法を大きくしたり、突起部７１の個数を多くしたりしなくても、溶接部９０における電気抵抗の上昇に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。よって、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、特に効果的に、燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

【0053】

本実施形態の燃料電池スタック１００では、各下側バスバー７０が有する突起部７１の個数は３つである。下側集電板１５のうち、この３つの突起部７１と接合される表面１８は平面である。そのため、本実施形態の燃料電池スタック１００によれば、上述した上側集電板１１および上側バスバー６０における理由と同様の理由から、下側バスバー７０が有する突起部７１の個数が３つであることにより、接合工程における作業性が向上し、容易に製造することができる。

【0054】

Ｂ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。

【0055】

上記実施形態における燃料電池スタック１００の構成や燃料電池スタック１００を構成する各部分の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態において、上側集電板１１に接合された上側バスバー６０と、下側集電板１５に接合された下側バスバー７０とのいずれかの個数が１つであってもよい。また、上記実施形態において、上側集電板１１や下側集電板１５に接合されたバスバー６０，７０の個数は、３つ以上であってもよい。

【0056】

上記実施形態では、下側バスバー７０や上側バスバー６０が、一端から他端まで一方向（Ｘ軸方向）に延伸した形状であるが、下側バスバー７０や上側バスバー６０の形状はこれに限られない。例えば、下側バスバー７０や上側バスバー６０が、一端から一方向に延伸し、途中で屈曲して他の方向に延伸して他端に至る形状であってもよい。また、下側バスバー７０および上側バスバー６０のそれぞれが、Ｚ軸方向視で、上側集電板１１，下側集電板１５と重なる領域内にのみ位置する形状であってもよい。

【0057】

集電板１１，１５に接合されたバスバー６０，７０の突起部６１，７１の個数は特に限定されるものではなく、例えば、１つ、２つ、または４つ以上であってもよい。また、上記実施形態では、３つの突起部６１，７１がＺ軸方向視において正三角形の頂点上に位置しているが、突起部６１，７１の配置も特に限定されるものではない。

【0058】

上記実施形態では、バスバー６０，７０が突起部６１，７１を有し、集電板１１が平面である表面１４，１８を有し、これら突起部６１，７１および表面１４，１８が溶接部８０，９０を介して接合されているが、このような態様に換えて、集電板が突起部を有し、バスバーが平面である表面を有し、これら突起部および表面が溶接部を介して接合されている、としてもよい。このような構成においても、集電板に接合されたバスバーを複数備えることにより、突起部の寸法を大きくしたり、突起部の個数を多くしたりしなくても、溶接部における電気抵抗の上昇に起因する燃料電池スタック１００の性能の低下を抑制することができる。

【0059】

上記実施形態における溶接部８０や溶接部９０の形状は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、溶接部８０や溶接部９０のＺ軸方向視での形状が略矩形であってもよい。また、溶接部８０や溶接部９０に加えて、ボルト締結が併用されていてもよい。

【0060】

上記実施形態では、上側集電板１１は、Ｚ軸方向視で発電ブロック１０１に重なる本体部１２と、本体部１２からＺ軸方向に直交する方向（本実施形態ではＸ軸正方向）に突出する突出部１３とを有するが、上側集電板１１の構成は、このようなものに限られるものではない。例えば、上側集電板１１は本体部１２のみを有してもよい。下側集電板１５についても同様である。

【0061】

上記実施形態では、集電板１１，１５が出力端子として機能しているが、集電板１１，１５とは別の部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６）が出力端子として機能するようにしてもよい。この場合には、当該別の部材が、特許請求の範囲における内部端子部材の一例となる。

【0062】

上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を対象としているが、本明細書に開示される技術は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）の構成単位である電解セル単位を複数備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開２０１６－８１８１３号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック１００と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック１００を電解セルスタックと読み替え、発電ブロック１０１を電解ブロックと読み替え、発電単位１０２を電解セル単位と読み替え、単セル１１０を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極１１４がプラス（陽極）で燃料極１１６がマイナス（陰極）となるように両電極間に電圧が印加されると共に、貫通孔１０８を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室１７６で水素ガスが発生し、貫通孔１０８を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、上記実施形態と同様の構成を採用することにより、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。

【0063】

上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本明細書に開示される技術は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池（または電解セル）にも適用可能である。

【符号の説明】

【0064】

１１：上側集電板 １２：（上側集電板の）本体部 １３：（上側集電板の）突出部 １４：（上側集電板の）表面 １５：下側集電板 １６：（下側集電板の）本体部 １７：（下側集電板の）突出部 １８：（下側集電板の）表面 ２２（２２Ａ～２２Ｅ）：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：（ガス通路部材の）本体部 ２９：（ガス通路部材の）分岐部 ５７：絶縁材 ６０：上側バスバー ６１：（上側バスバーの）突起部 ６２：（上側バスバーの）接続部 ７０：下側バスバー ７１：（下側バスバーの）突起部 ７２：（下側バスバーの）接続部 ８０，９０：溶接部 １００：燃料電池スタック １０１：発電ブロック １０２：発電単位 １０４：エンドプレート（上側エンドプレート） １０６：エンドプレート（下側エンドプレート） １０８：貫通孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：ロウ付け部 １３０：空気極側フレーム部材 １３１：空気室用孔 １３２：酸化剤ガス供給連通流路 １３３：酸化剤ガス排出連通流路 １３４：空気極側集電体 １３５：集電体要素 １４０：燃料極側フレーム部材 １４１：燃料室用孔 １４２：燃料ガス供給連通流路 １４３：燃料ガス排出連通流路 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサ １５０：インターコネクタ １６１：空気極側ガス供給マニホールド １６２：空気極側ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料極側ガス供給マニホールド １７２：燃料極側ガス排出マニホールド １７６：燃料室 ＦＧ：燃料ガス ＦＯＧ：燃料オフガス ＯＧ：酸化剤ガス ＯＯＧ：酸化剤オフガス ＷＥ１、ＷＥ２：溶接用電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】