JP2010073631A - 燃料電池発電ユニット及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】柔軟な接着層を介して金属ケース間を接合することができ、燃料電池スタックとしての耐久性を向上させることができる発電ユニットと、このような発電ユニットから成る燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】第１の金属板３と第２の金属板４から成る金属ケース２にセルを内包した発電ユニット１において、燃料ガスと酸化性ガスとを分離すると共に通電経路として機能する第２の金属板４の平板部分を電気伝導板４ｅとして分離して、発電ユニット同士の接着部位となる外枠部４ｂから電気的に絶縁する。このような発電ユニット１を複数個積層して、柔軟性に富む金属ろう材を用いて金属ケース２同士を接着し、燃料電池スタックとする。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を金属ケースに内包して成る燃料電池発電ユニットと、このような発電ユニットを積層した状態に接着して成る燃料電池スタックに係わり、特に、発電ユニット内の絶縁構造と、このような発電ユニット同士の接着技術に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性を備えた固体電解質を用い、その両側にガス透過性を備えた電極を配置した構造を有し、１０００℃近くの高温で作動する電池として知られている。
しかし、近年、電解質特性の改良などによるセル性能の向上に伴って、作動温度の低温下が進み、６００〜８００℃でも十分な発電出力が得られるようになってきている。

このような温度での運転ができるようになると、セパレータなどの燃料電池の周辺部材に、従来のセラミックス系材料に替えて耐熱性金属材料を使用することが一般的になりつつある。
なお、ここで言う耐熱性金属材料とは、クロムを含む合金であって、ステンレス鋼やニッケル基合金を意味し、具体的には、フェライト系ステンレス鋼やインコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）などを挙げることができる。

このような低温作動型固体酸化物形燃料電池においては、セパレータ機能を備え、ガス流路を形成する耐熱金属製ケースに発電要素としてのセルを内包した形態の発電ユニット（カセットとも称する）とし、これを積層してスタックを構成することになる。

このような単電池内における金属部材間や、金属部材とセラミックス部材（電解質膜）間の接合には、必要に応じてセラミックス粉や金属粉を混合したガラスから成るシール材や、必要に応じてセラミックスを含む金属ろう材から成るシール材を用いることが特許文献１及び２にそれぞれ載されている。
特開２００４−３９５７３号公報 特開２００４−３９５７４号公報

しかしながら、上記した発電ユニットの内部や、燃料電池スタックにおける発電ユニット同士の接着用材料には、部位に応じた種々の性能が要求される。例えば、電池スタックにおける発電ユニット同士の接合には、金属製ケースとセル電極が短絡することを防止するために、発電ユニット間を電気的に絶縁する必要があることから、ガスシール性に加えて電気絶縁性が要求される。
したがって、上記引用文献２に記載されたような金属ろう材を使用することはできず、このような接合には、引用文献１に記載されたガラスシール材に代表されるガラス系材料が使用されることになる。

一方、電池スタックは、発電ユニットを多段に積層して成るものであるからして、各発電ユニットを構成する個々の金属ケースには高い寸法精度が求められ、剛性体となる。また、集電性を良好なものとするために、発電ユニット同士を互いに押付ける必要があることからも、金属ケースには剛性が求められる。
しかし、発電ユニット同士の接合に用いるガラス系材料は、本質的に脆弱材料であり、柔軟性に欠けることから、金属ケースが熱的あるいは機械的に変形した場合には、これに追随することができず、割れたり剥がれたりする危険性があり、剛性の高い金属ケースの場合には、この傾向が顕著になるという問題があった。

本発明は、セルを金属製ケース内に収納した発電ユニットを複数個積層し、金属ケース間を接着して成る燃料電池スタックにおける上記課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、柔軟な接着層を介して金属ケース間を接合することができ、スタックとしての耐久性を向上させることができる発電ユニットと、このような発電ユニットを積層状態に複数個接着した燃料電池スタックを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、セル間の導通経路として機能する金属ケースのセパレータ部分と、金属ケース同士が接着される外枠部分との電気的導通を遮断することによって上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の燃料電池発電ユニットは、セルを支持する第１の金属板と、燃料ガスと酸化性ガスを分離する第２の金属板から構成され、これらガスの流路を備えた金属ケースに上記セルを内包して成るものであって、上記第２の金属板は、その中央部に通電経路となる電気伝導板を備え、この電気伝導板がマニホールド部を備えた外枠部から電気的に絶縁されていること特徴としている。

また、本発明の燃料電池スタックは、本発明の上記発電ユニットが複数個積層され、これら発電ユニット同士が金属ケースを構成する第１及び第２の金属板よりも剛性の低い接着層を介して接着されていることを特徴とする。

そして、本発明の燃料電池スタックの製造方法においては、発電ユニットの金属ケースにおける外枠部の表面及び／又は裏面に銀系ろう材層を形成し、銀系ろう材層を備えた複数の発電ユニットを積層した状態で加熱と加圧をするようにしている。

本発明によれば、セル支持板として機能する第１の金属板と、セパレータとして機能する第２の金属板から構成される金属ケースにセルを内包して成る発電ユニットにおいて、第２の金属板がその中央部に通電経路となる電気伝導板を備え、これがその外枠部分から電気的に絶縁されている。したがって、発電ユニットの積層に際して、金属ケース同士の接着に絶縁性のガラス系材料を使用する必要がなくなり、これ以外の延性に富む材料、例えば金属ろう材を用いることによって、割れや剥離を防止することができ、スタックとしての耐久性が向上する。

以下に、本発明の燃料電池発電ユニットと、これを積層した燃料電池スタックについて、さらに具体的かつ詳細に説明する。なお、本明細書において、「％」については、特記しない限り質量百分率を意味するものとする。

本発明の燃料電池発電ユニットは、セルを支持する第１の金属板と、燃料ガスと酸化性ガスを分離する第２の金属板から構成され、上記燃料ガス及び酸化性ガスの流路をそれぞれ備えた金属ケースに上記セルを内包して成るものである。そして、第２の金属板は、上記したように、通電経路となり、セパレータとしても機能する電気伝導板をその中央部に備え、この電気伝導板がマニホールド部を備えた外枠部から電気的に絶縁されていることから、発電ユニット同士を接着するに際して、金属ケース間を絶縁する必要がなくなる。

すなわち、一般の発電ユニットにおいては、セパレータとして機能する隔壁部分を集電経路としても利用していることから、連続構造の第２の金属板をセパレータとして用いた場合には、金属ケース同士を電気的に絶縁することによってセル電極の短絡を防止する必要がある。これに対して、本発明においては、ガス隔壁及び集電経路となる第２の金属板の中央部分（電気伝導板）を接着部位となる外枠部分から絶縁しているので、金属ケース同士の接着に導電性の有無が問われなくなり、脆いガラス系に代えて延性に優れた材料を用いることができるようになる。

例えば、ガラス系接着材料として、ＢＣＡＳ（ＢａＯ−ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２）ガラスのヤング率が２３０ＧＰａであるのに対し、銀銅ろうのような金属ろう材のヤング率は７０ＧＰａ程度と約１／３であって、金属ろう材はガラス材に較べて遙かに低剛性であり、高延性を示す。
したがって、このような延性に富む金属ろう材を発電ユニット間の接着に適用することによって、金属ケースの昇降温に伴う変形や衝撃による振動などにも接着層が追随できるようになり、割れや剥離を防止し、ガスシール性や集電性を長期間維持することができ、スタックの耐久性が向上する。

本発明の発電ユニットにおいて、発電要素としてのセルは、基本的に固体電解質の両面に燃料極及び空気極を形成した３層構造を有し、電解質材料としては、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリアドープトセリア）、ＳＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＬＳＧＭ（ランタンがレート）などを挙げることができる。
また、燃料極材料としては、例えばＮｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−ＳＤＣ、Ｎｉ−ＳＳＺ等、空気極材料については、ＬＳＭ（ＬａＳｒＭｎＯ）、ＳＳＣ（ＳｒＳｍＣｏＯ）、ＬＳＣ（ＬａＳｒＣｏＯ）、ＬＳＣＦ（ＬａＳｒＣｏＦｅＯ）などの電子・酸素イオン導電酸化物、あるいはＰｔ、Ａｇのような金属材料を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。

金属ケースを構成する第１及び第２の金属板の材料としては、ステンレス鋼やニッケル基合金、インコネル、ハステロイなどの耐熱金属を用いることができるが、比較的安価であることからステンレス鋼、特にセルを構成する材料に対する熱膨張率の近似性の観点からフェライト系ステンレス鋼を用いることが望ましい。具体的にはＳＵＳ４３０鋼やＦｅ−２２Ｃｒ鋼などを使用できる。

また、発電ユニットの積層に際して、金属ケース同士を接着する材料としては、上記したような金属ろう材を用いることができ、ガラス系材料よりも延性に富むものである限り、その種類や成分に特に限定はない。
金属ろう材としては、金属ケースを構成する第１及び第２の金属板の材料よりも剛性（例えば、フェライト系ステンレス鋼のヤング率は２００ＧＰａ程度）の低い接着層が得られる材料であることが望ましく、例えば、銀系ろう材を用いることができる。銀系ろう材として具体的には、Ａｇに２〜５％のＣｕを添加した銀銅ろうや、第３元素として微量にチタン、ニッケル、ジルコニウムを添加したＡｇ合金を使用することができる。

一方、発電ユニット内部の絶縁性接着部位、すなわち第２の金属板の外枠部に金属製の電気伝導板を直接接合するのに用いる接着材としては、セルや金属板（フェライト系ステンレス鋼）との熱膨張率の差が少ないことから、先に述べたＢＣＡＳガラスを用いることが望ましい。

本発明の発電ユニットにおいては、上記したように、ガス隔壁及び集電経路として機能する第２の金属板の中央部分を分離して電気伝導板とし、これを接着部位となる外枠部分から絶縁したことを特徴としている。
このとき、上記電気伝導板を絶縁するための具体的構造としては、電気伝導板が金属製の場合、第２の金属板の外枠部に、例えば上記ＢＣＡＳガラスのような電気絶縁性接着層を介して接着するようになすことができる。

また、電気絶縁性を有する板材を介して第２の金属板の外枠部に接着することも可能である。このとき、上記板材の介在によって電気伝導板と外枠部分との間の絶縁性が確保されているので、板材と外枠、板材と電気伝導板との間の接着には絶縁性が必ずしも要求されない。したがって、例えば金属ろう材などの高延性材料を用いることが望ましいが、ガラス系材料を用いたとしても、さして支障はない。

さらに、電気伝導板として、多数の貫通孔を備えた電気絶縁性材料から成る板材を用い、この貫通孔内に、例えば金属などの導電性材料を充填することによって板厚方向の電気伝導性を確保するようになすこともできる。このとき、当該電気伝導板の外枠部との接着には、貫通孔部分に接触しない限り、金属ろう材などの高延性材料を用いることができる。なお、貫通孔内への導電性材料の充填に際しては、ガス透過が生じないように密に充填することが必要である。

上記電気伝導板には、多孔質金属や金属メッシュ、フエルト状金属（金属ウール）など、ガス透過性を備えた金属体を電気的に接続することができる。このような金属体は、電気伝導板とセル電極の間に介在して、燃料ガスや酸化性ガスのセルへの供給を妨げることなく集電体として機能する。

本発明の発電ユニットにおいては、第１の金属板若しくは第２の金属板、又はその両方の金属板の外枠部に切欠部を設けることができ、これによって金属ケースの剛性を低め、より柔軟な構造にすることができる。切欠は、昇降温時の熱応力やケースの変形による機械的応力の逃げとなり、接着部に加わる応力が緩和され、スタックの耐久性を向上することができる。
なお、切欠部からの燃料ガスや酸化性ガスの漏れは、必要に応じて、金属の薄板などによって塞ぐことができる。このとき、例えば酸化性ガスとして空気を用いた場合、空気の漏れについては、必ずしも塞がなくてもよい。

本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池発電ユニットの複数個が積層され、発電ユニット同士が金属ケースを構成する第１及び第２の金属板よりも剛性の低い接着層、例えば金属ろう材から成る接着層を介して接着されたものである。

なお、金属ケースの外枠部に切欠を備えた発電ユニットを用いた燃料電池スタックにおいては、ユニット同士を同様に接着した状態で、切欠を設けた第１及び第２の金属板の少なくとも一方の外枠部に、同様の接着層によって金属薄板を接着することが望ましい。これによって、切欠部から燃料ガスや酸化性ガスが漏れないようになる。
なお、金属薄板を用いるのは、この接着によって金属ケースの柔軟性が損なわれないようにするためであって、「薄板」とは金属ケースの板材よりも薄いことを意味し、金属ケース材料と同質の金属箔を用いることが望ましい。

本発明の燃料電池スタックの製造に際しては、まず、発電ユニットの接着部位となる金属ケースにおける外枠部の表面又は裏面、必要に応じてその両面に、ペースト状にした銀系ろう材を塗布したり、薄板状にした銀系ろう材を貼り付けたりすることによってろう材層を形成する。
そして、このようなろう材層を備えた発電ユニットを多数積層した状態で加熱してろう材層を溶融させ、同時に加圧して外枠同士を密着させ、この状態でろう材金属を凝固させることによって、発電ユニットの金属ケース同士を接着することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明するが、本発明はこのような実施例によって何ら限定されないことは言うまでもない。

〔実施例１〕
図１は、本発明の燃料電池発電ユニットの第１の実施例に用いる金属ケースの一方を構成する第１の金属板の構造を示すものであって、図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれその表面図、裏面図、縦断面図である。
図に示す第１の金属板３は、フェライト系ステンレス鋼から成る枠状をなすものであって、その中央部分にセルが取り付けられるセル設置孔３ａが形成されている。その周囲の外枠部３ｂには、酸化性ガスである空気と燃料ガスである水素がそれぞれ給排気される空気孔３ｃ及び水素孔３ｄが開口し、マニホールド部となっている。また、外枠部３ｂにおけるセル設置孔３ａの周縁部は、後述するセルを接着するための平板部３ｅとなっている。

図２は、上記金属ケースの他方を構成する第２の金属板の構造を示すものであって、図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれその表面図、裏面図、縦断面図である。
図に示す第２の金属板４は、同じくフェライト系ステンレス鋼から形成され、中央部に開口部４ａを有し、上記第１の金属板３と同一外形をなす外枠部４ｂと、同じくフェライト系ステンレス鋼製の電気伝導板４ｅから成るものである。

また、外枠部４ｂには、空気孔４ｃ及び水素孔４ｄが第１の金属板３に対応する位置に設けてあり、同様にマニホールド部が形成されていると共に、外枠部４ｂの中央部に形成された開口部４ｅの周縁部は平板部４ｆとなっている。
そして、外枠部４ｂの平板部４ｆにおいて上記電気伝導板４ｅの四周がＢＣＡＳガラスから成る絶縁性の接着層Ｉによって接着され、開口部４ａを完全に塞いでいる。

図３は、上記第１及び第２の金属板３，４から成る金属ケース２にセル５を内包した発電ユニット１の断面図である。
図において、セル５は、ニッケルとＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）のサーメットから成る多孔質燃料極５ａを基板として、その上にＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）から成る電解質層５ｂ、さらにその上にＬＳＭ（ランタン・ストロンチウム・マンガネート）から成る空気極５ｃを形成した構造を有している。このセル５の四周は、金属ケース２を構成する第１の金属板３の平板部３ｅに銀銅ろう（Ａｇ−５％Ｃｕ）により接着されており、金属板３のセル設置孔３ａを塞いだ状態に取り付けられている。

一方、第２の金属板４の電気伝導板４ｅの図中上面には、多孔質金属から成り、ガス透過性を備えた金属体４ｇがスポット溶接され、セル５の燃料極５ａとの間の電気的導通が確保されるようになっている。
他方、上記電気伝導板４ｅの図中下面側には、同様の多孔質金属から成る金属体４ｈがスポット溶接されており、当該発電ユニット１の積層状態において、隣接するユニットの空気極５ｃと電気的に接続されるようになっている。

なお、上記発電ユニット１において、第１の金属板３と第２の金属板４とは、レーザ溶接やＴＩＧ溶接などによってこれらの外枠部３ｂ、４ｂにおいて接合され、金属ケース２となっている。

図４は、上記発電ユニット１を５段に積層して成る燃料電池スタック１０の構造を示す断面図である。
図に示すように、各発電ユニット１同士は、その金属ケース２（第１及び第２の金属板３、４）の外枠部３ｂ、４ｂにおいて、金属ケース２の材料であるフェライト系ステンレス鋼（ヤング率：約２００ＧＰａ）よりも剛性の低い銀銅ろう（Ａｇ−５％Ｃｕ、ヤング率：約７０ＧＰａ）から成る厚さ５０μｍの接着層Ｄにより互いに接着されている。

なお、上記燃料電池スタック１０の上下位置には、各発電ユニット１に酸化性ガス（空気）及び燃料ガス（水素）を給排気し、当該スタック１０の外部に電力を取り出すための正極６ａ及び負極７ａをそれぞれ備えたエンドプレート６及び７がそれぞれ配置されている。
また、接着に際しては、接着部位となる金属ケース２の外枠部３ｂ、４ｂの表面及び裏面側に上記銀銅ろう材を含むペーストを塗布した状態で積層し、全体を９５０℃まで加熱しながら加圧し、室温まで空冷することによって各発電ユニット同士とエンドプレートとを接合するようにしている。

そして、上記燃料電池スタック１０について、５０℃／分の昇温速度で７００℃まで昇温した後、室温まで降温する熱サイクル試験を実施し、当該スタック１０の耐久性を調査した。
すなわち、上記昇降温を５０サイクル繰り返した後の内部抵抗を測定して集電性能を評価すると共に、１００サイクル試験後の接着層Ｄにおける割れや剥離の有無を調査した。

その結果、表１に示すように、スタック１０の内部抵抗は５０サイクルの試験後でも８０ｍΩｃｍ^２と小さく、優れた集電性能を示した。また、１００サイクルの試験後も、接着層Ｄに割れや剥離は認められず、良好な耐久シール性を備えていることが確認された。

〔実施例２〕
図５は、本発明の燃料電池発電ユニットの第２の実施例を示すものであって、図５（ａ）は、その断面図である。
この実施例に係わる発電ユニット１において、セル５は、上記実施例と同様の構造をなし、金属ケース２を構成する第１の金属板３のセル設置孔３ａに銀銅ろうによって同様に接着されている。

一方、第２の金属板４における電気伝導板４ｅは、図５（ｂ）に示すように、複数枚のフィン４ｉをその上下面に並設して成るフェライト系ステンレス鋼製のものであって、これらフィン５ｉの間にガス流路が形成され、圧力損失なくガス流れを形成することができる。
このような電気伝導板４ｅは、絶縁性セラミックスから成る枠形の板材８を介して、第２の金属板４の平板部４ｆに、上記同様の銀銅ろうから成る接着層Ｄを介して接着され、各フィン５ｉの先端がセル５の電極にそれぞれ電気的に接触するように取り付けられる。なお、電気伝導板４ｅは、絶縁性の板材８によって外枠部４ｂから絶縁されているので、その接着には上記のような金属ろうを用いることが強度上望ましいが、ガラス系の材料を用いることもできる。

次に、上記した発電ユニット１を５段積層し、エンドプレート６及び７と共に、各ユニット１の金属ケース同士を銀銅ろう（Ａｇ−５％Ｃｕ）を用いて接着することによって、図４と同様の燃料電池スタックが得られる。
そして、熱サイクル負荷による同様の耐久試験を行った結果、表１に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、５０サイクル試験後で１５０ｍΩｃｍ^２、また、１００サイクルの試験後でも接着層Ｄに割れや剥離は認められず、優れた耐久性が確認された。

〔実施例３〕
図６は、本発明の燃料電池発電ユニットの第３の実施例を示すものであって、図６（ａ）は、その断面図である。
この実施例に係わる発電ユニット１において、第１の金属板３は、その形状、構造及びセル５の接着構造において、上記実施例１、２と変わるところはなく、説明を省略する。

一方、第２の金属板４における電気伝導板４ｅは、電気絶縁性の平板に０．５ｍｍ径の貫通孔４ｊを１ｃｍ^２当たり１２個の密度で形成し、この貫通孔４ｊ内に導電性材料４ｋを埋め込んだ構造のものである。
なお、ここでは、電気絶縁性として０．３ｍｍ厚さの３ｍｏｌイットリア安定化ジルコニアを用い、導電性材料４ｋとしてはニッケルを用いているが、これらに限らず種々の材料を用いることができる。

このような構造を備えた電気伝導板４ｅは、電気絶縁性の平板の周縁部において、第２の金属板４の平板部４ｆに、上記同様の銀銅ろうから成る接着層Ｄを介して接着されている。

そして、上記した発電ユニット１を同様に５段積層し、エンドプレート６、７と共に、各ユニット１の金属ケース同士を銀銅ろう（Ａｇ−５％Ｃｕ）を用いて接着することによって、図４に示したような燃料電池スタックを得、これを用いて、同様の耐久試験を行った。
その結果、表１に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、５０サイクル試験後で１１０ｍΩｃｍ^２であると共に、１００サイクルの試験後においても接着層Ｄに割れや剥離は認められず、優れた耐久性が確認された。

〔実施例４〕
図７は、本発明の燃料電池発電ユニットの第４の実施例を示す断面図である。
この実施例に係わる発電ユニット１において、第１の金属板３は、その形状、構造及びセル５の接着構造において、上記実施例１〜３と変わるところはない。

他方、第２の金属板４は、上記した実施例１と同様の材料から成り、同様の構造を有するものであって、その開口部４ｅには、電気伝導板４ｅが同様に取り付けられ、外枠部４ｂの平板部４ｆにおいてＢＣＡＳガラスから成る絶縁性の接着層Ｉによって接着されている。
上記電気伝導板４ｅの図中上面には、ガス透過性を備えたニッケルメッシュから成る金属体４ｇがスポット溶接され、セル５の燃料極との間の電気的導通が確保されるようになっている。また、電気伝導板４ｅの図中下面側には、ステンレス鋼メッシュから成り、同様にガス透過性を有する金属体４ｈがスポット溶接されており、当該発電ユニット１の積層状態において、隣接するユニットの空気極と電気的に接続されるようになっている。

そして、上記構造の発電ユニット１を同様に５段積層し、エンドプレート６、７と共に、各ユニット１の金属ケース同士を銀銅ろう（Ａｇ−５％Ｃｕ）を用いて接着することによって、図４に示したような燃料電池スタックを得、これを用いて、同様の耐久試験を行った。
その結果、表１に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、５０サイクル試験後で１００ｍΩｃｍ^２、また、１００サイクルの試験後においても接着層Ｄに割れや剥離は認められず、同様に優れた耐久性が確認された。

〔実施例５〕
図８（ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料電池発電ユニットの第５の実施例に用いる金属ケース２を構成する第１及び第２の金属板３及び４の裏面形状を示すそれぞれ背面図である。

図８（ａ）に示す第１の金属板３は、外枠部３ｂの４箇所に切欠３ｍが設けてあることを除いて、先に示した実施例１の金属板３と同一材料から成り、同様の構造を備えている（図１参照）。
一方、図８（ｂ）に示す第２の金属板４についても、外枠部４ｂに切欠４ｍを２箇所に設けたこと以外は、実施例１に用いた金属板４と同様の構造を有し、同じフェライト系ステンレス鋼から成るものである（図２参照）。

次いで、上記第１の金属板３のセル設置孔３ａに実施例１と同様のセル５を取り付けると共に、第２の金属板４の電気伝導板４ｅの両面に、実施例１と同様に、ガス透過性の金属体４ｇ及び金属体４ｈをスポット溶接する。
そして、両金属板３、４を外枠部３ｂ、４ｂにおいて溶接することによって、図９（ａ）に示すように、発電ユニット１が形成される。

次に、上記発電ユニット１を実施例１と同様に、５段積層すると共に、外枠部３ｂ、４ｂを銀銅ろう（Ａｇ−５％Ｃｕ）を用いて接着することによって燃料電池スタック１０が得られる（図４参照）。

得られた燃料電池スタック１０においては、各発電ユニット１の外枠部３ｂ、４ｂに切欠３ｍ、４ｍが設けてあり、柔軟なユニットとなっているが、これら切欠３ｍ、４ｍから燃料ガス（水素）や酸化性ガス（空気）が漏れることになる。
そこで、図９（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０の周囲に、金属薄板として、厚さ５０μｍの金属箔８を銀銅ろうを貼り付け、これによってガス漏れを防止するようにしている。

図９（ｃ）は、当該実施例による燃料電池スタック１０の全体図である。なお、燃料電池スタックの上下位置には、図４に示したように、本来エンドプレート６、７が配置されるが、図９（ｂ）及び（ｃ）においては、これらの図示を省略している。

そして、上記燃料電池スタック１０について、上記各実施例と同様の耐久試験を行った結果、表１に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、５０サイクル試験後で８０ｍΩｃｍ^２であった。また、１００サイクルの試験後においても接着層Ｄに割れや剥離は認められず、実施例１と同様の優れた耐久性を示すことが確認された。

〔比較例〕
図１０（ａ）は、本発明に対する比較例として用いた従来タイプの発電ユニットの構造を示す断面図であって、図に示す発電ユニット２０において、第１の金属板３は、基本的に上記各実施例と同様の構造を有し、そのセル設置孔３ａにセル５が同様に取り付けてある。
一方、第２の金属板４０は一体構造をなし、ガス隔壁及び集電経路として機能する平面部４０ｅが積層時の接着部位となる外枠部から連続していること以外は、実施例１に用いた金属板４と基本的に同様の構造となっている。そして、上記平面部４０ｅの上下両面には、集電体として機能するガス透過性金属体４０ｇ、４０ｈが同様にスポット溶接されている。

図１０（ｂ）は、上記発電ユニット２０を５段積層した燃料電池スタックの構造を示すものであって、これらユニットの上下位置にエンドプレート６、７が配置された状態において、ＢＣＡＳガラスから成る絶縁性の接着層Ｉによって各ユニット２０の外枠部同士が接着されている。

このようにして得られた燃料電池スタックについて、上記各実施例と同様の耐久試験を行った結果、表１に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、５０サイクル試験後で３５０ｍΩｃｍ^２もの高い値を示し、集電性能が劣ることが判明した。また、２０サイクルの早い段階において接着層Ｉに割れが認められ、耐久性にも劣ることが確認された。

本発明の第１の実施例に用いる金属ケースの一方を構成する第１の金属板の構造を示す表面図（ａ）、裏面図（ｂ）及び縦断面図（ｃ）である。 本発明の第１の実施例に用いる金属ケースの他方を構成する第２の金属板の構造を示す表面図（ａ）、裏面図（ｂ）及び縦断面図（ｃ）である。 本発明の第１の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。 図３に示した発電ユニットを５段に積層してなる燃料電池スタックの構造を示す断面図である。 （ａ）本発明の第２の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。（ｂ）図５（ａ）に示した発電ユニットに用いられる電気伝導板の構造を示す斜視図である。 （ａ）本発明の第３の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。（ｂ）図６（ａ）に示した発電ユニットに用いられる電気伝導板の構造を示す平面図である。 本発明の第４の実施例により形成された燃料電池スタックの構造を示す断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第５の実施例に用いる金属ケースを構成する第１及び第２の金属板の構造をそれぞれ示す裏面図である。 （ａ）本発明の第５の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す斜視図である。（ｂ）図９（ａ）に示した発電ユニットを５段積層してなる燃料電池スタックに金属箔を貼り付ける要領の説明図である。（ｃ）図９（ａ）に示した発電ユニットを５段積層してなる燃料電池スタックの構造を示す斜視図である。 （ａ）本発明の比較例として従来タイプの燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。（ｂ）図１０（ａ）に示した発電ユニットを積層した従来タイプの燃料電池スタック構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池発電ユニット
２ 金属ケース
３ 第１の金属板
３ｂ 外枠部
３ｃ 空気孔（酸化性ガス流路）
３ｄ 水素孔（燃料ガス流路）
３ｍ 切欠
４ 第２の金属板
４ｂ 外枠部
４ｃ 空気孔（酸化性ガス流路）
４ｄ 水素孔（燃料ガス流路）
４ｅ 電気電導板
４ｇ、４ｈ （ガス透過性）金属体
４ｊ 貫通孔
４ｋ ニッケル（導電性材料）
４ｍ 切欠
８ 金属箔（金属薄板）
１０ 燃料電池スタック

Claims (10)

1. セルを支持する第１の金属板と、燃料ガスと酸化性ガスを分離する第２の金属板から構成され、上記燃料ガス及び酸化性ガスの流路を備えた金属ケースに上記セルを内包して成る発電ユニットであって、
   上記第２の金属板は、通電経路となる電気伝導板を中央部に備え、当該電気伝導板がマニホールド部を備えた外枠部から電気的に絶縁されていること特徴とする燃料電池発電ユニット。
2. 上記電気伝導板が金属製であって、第２の金属板の外枠部分に電気絶縁性接着層を介して接着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電ユニット。
3. 上記電気伝導板が金属製であって、第２の金属板の外枠部分に電気絶縁性を有する板材を介して接着されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電ユニット。
4. 上記電気伝導板が多数の貫通孔を備えた電気絶縁性材料から成り、第２の金属板の外枠部分に接着されていると共に、上記貫通孔が導電性材料により充填されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電ユニット。
5. 上記電気伝導板にガス透過性を備えた金属体が電気的に接続してあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電ユニット。
6. 第１及び又は第２の金属板の少なくとも一方の外枠部に切欠部が設けてあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか１つの項に記載の燃料電池発電ユニットが複数個積層され、当該発電ユニット同士が第１及び第２の金属板よりも剛性の低い接着層を介して接着されていることを特徴とする燃料電池スタック。
8. 請求項６に記載の燃料電池発電ユニットが複数個積層され、当該発電ユニット同士が第１及び第２の金属板よりも剛性の低い接着層を介して接着されていると共に、切欠を設けた第１及び第２の金属板の少なくとも一方の外枠部に、上記第１及び第２の金属板よりも剛性の低い接着層を介して金属薄板が接着されていることを特徴とする燃料電池スタック。
9. 第１及び第２の金属板がフェライト系ステンレス鋼から成り、発電ユニットの金属ケース同士が銀系ろう材により接着されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池スタック。
10. 発電ユニットにおける金属ケースの外枠部の表面及び／又は裏面に銀系ろう材層を形成し、複数の発電ユニットを積層した状態で加熱及び加圧することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。

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