JP2007234384A

JP2007234384A - 燃料電池セルスタック装置及び燃料電池モジュール

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Publication number: JP2007234384A
Application number: JP2006054099A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Azuma; 昌彦東; Tatsu Miyaji; 達宮地; Norimitsu Fukamizu; 則光深水; Kenji Shimazu; 健児島津
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP5041711B2

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックにおける燃料電池セル間に酸素含有ガスを十分高濃度で供給する。
【解決手段】柱状であって軸方向に貫通する燃料ガス通路を具備する固体電解質形燃料電池セルを複数配列させた燃料電池セルスタックと、燃料電池セルの各々をその軸方向の一端にて支持しかつ燃料ガス通路と連通する内部空間を具備するマニホールドと、燃料電池セルスタックの周囲に供給される酸素含有ガスの拡散を防止するべく燃料電池セルスタックを包囲する酸素含有ガス包囲手段とを有する。好適には酸素含有ガス包囲手段がマニホールドとの間に燃料電池セルの軸方向に間隙を介して設置された壁状枠体である。また壁状枠体を燃料電池セルスタックの端部と電気的に接続し、電流を取り出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セルを複数配列させた燃料電池セルスタック及びその周辺構造を含む燃料電池セルスタック装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして燃料電池セルのスタックを収納ケースに収容した燃料電池が種々提案されている。
図１０は、従来提示されている固体電解質形燃料電池セルの一例であり、燃料電池セル３０の断面を含む部分斜視図である。燃料電池セル３０は全体形状が平板柱状であり、ガス透過性のある導電性支持管３１の内部に軸方向に沿って燃料ガス通路３１ａが穿設され、導電性支持管３１の外周面上にサーメットからなる燃料極３２、固体電解質３３、導電性セラミックスからなる酸素極３４が順次積層されている。酸素極３４に対向する外周面上には接合層３８を介して導電性セラミックスからなるインターコネクタ３５が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層３９を設けている。例えば、燃料極３２はＮｉと、Ｙ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とから形成され、固体電解質３３はＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）から形成され、酸素極３４はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から形成される。

斯かる燃料電池セル３０では、燃料ガス通路３１ａに燃料ガス（水素）を流すことにより燃料極３２に水素を供給し、一方、燃料電池セル３０の周囲に酸素含有ガスを供給することにより酸素極３４に酸素を供給する。これにより、酸素極３４及び燃料極３２で次の電極反応がそれぞれ生じることによって発電する。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

燃料電池モジュールは、上記の構造を有する燃料電池セルを複数個一列に配列させ、各燃料電池セルの一端をマニホールドに支持固定し、隣接するセル同士の間で酸素極とインターコネクタとを集電体を介して互いに電気的に接続することにより燃料電池セルスタックを構成し、燃料極３２への燃料ガス供給手段及び酸素極３４への酸素含有ガス供給手段等と共に収容ケースに収容され、６００〜１０００℃で発電を行い、出力する。

収容ケース内の酸素含有ガスの供給手段としては、例えば、燃料電池セルスタックの近傍に酸素含有ガス供給ノズルを設け、その末端の流出口から加圧された酸素含有ガスを噴射していた。また、燃料ガス供給手段としては、例えば、被改質ガスを改質する改質器を備え、改質された水素リッチな燃料ガスを、マニホールドの内部空間を介して燃料電池セルの燃料ガス通路へ送り込んでいた。
特開２００５−２６０５９号公報

燃料電池セルにおける発電効率は、酸素極と燃料極の酸素濃度差が大きいほど良好である。しかしながら、加圧された酸素含有ガスをセルスタックの周囲で噴射しても、収容ケース内がほぼ大気圧であるので酸素含有ガスはセルスタックの周囲に留まらず拡散しやすく、酸素極に対して十分高濃度の酸素含有ガスを供給することができなかった。噴射後の酸素含有ガスの拡散を防止するために、例えばその流速や流量を好適に制御すると、圧縮機等の設備が大きくなりコストも高くなるという問題がある。

以上の現状に鑑み本発明は、燃料電池セルスタックにおける燃料電池セル間に酸素含有ガスを十分高濃度で供給することができ、かつ、現状の設備を大容量としたり制御システムを変更することなく実現できることを目的とする。

上記の目的を達成するべく本発明は以下の構成を提供する。
（１）請求項１に係る燃料電池セルスタック装置は、柱状であって軸方向に貫通する燃料ガス通路を具備する固体電解質形燃料電池セルを複数配列させた燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルの各々をその軸方向の一端にて支持しかつ前記燃料ガス通路と連通する内部空間を具備するマニホールドと、
前記燃料電池セルスタックの周囲に供給される酸素含有ガスの拡散を防止するべく該燃料電池セルスタックの側面を包囲する酸素含有ガス包囲手段とを有することを特徴とする。
（２）請求項２に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記酸素含有ガス包囲手段が、前記マニホールドとの間に前記軸方向に間隙を介して設置された壁状枠体であることを特徴とする。
（３）請求項３に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項２において、前記壁状枠体の外面に対し離間して酸素含有ガス供給ノズルが設けられ、該酸素含有ガス供給ノズルが、前記軸方向に平行に延在する管路と、該管路の一端にて前記間隙に向かって開口する流出口とを具備することを特徴とする。
（４）請求項４に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項２において、前記壁状枠体の外面に対し当接して酸素含有ガス供給ノズルが設けられ、該酸素含有ガス供給ノズルが、前記軸方向に平行に延在する管路と、該管路の一端から前記間隙を通り該壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする。
（５）請求項５に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドに連設された中空の壁状枠体でありかつ該中空の壁状枠体内に酸素含有ガス供給路が形成されており、該酸素含有ガス供給路が、該壁状枠体内の蛇行路と、該壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする。
（６）請求項６に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドに連設された壁状枠体でありかつ該壁状枠体と前記燃料電池セルスタックとの間に酸素含有ガス供給ノズルが設けられ、該酸素含有ガス供給ノズルが、前記軸方向に平行に延在する管路と、該管路の一端にて開口する流出口とを具備することを特徴とする。
（７）請求項７に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドに連設された壁状枠体でありかつ前記マニホールドに酸素含有ガス供給路が形成されており、該酸素含有ガス供給路が、該マニホールドの側壁内を通る管路と、該管路の一端にて前記壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする。
（８）請求項８に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドの側壁外面を覆う壁状枠体であり該壁状枠体は該マニホールドの底壁外面を覆う底部枠体を具備し、かつ該マニホールドに酸素含有ガス供給路が形成されており、該酸素含有ガス供給路が、該マニホールドの側壁内を通る管路と、該管路の一端にて前記壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする。
（９）請求項９に係る燃料電池セルスタック装置は、請求項１において、前記燃料電池セルスタックにおける前記燃料電池セルの配列方向において端部側に位置する前記酸素含有ガス包囲手段が導電性であって、前記燃料電池セルスタックの配列方向の端部に位置する燃料電池セルと電気的に接続されることにより前記酸素含有ガス包囲手段を用いて電流を取り出すことを特徴とする。

請求項１〜８に係る各発明においては、加圧状態で噴射される酸素含有ガスを酸素含有ガス包囲手段により燃料電池セルスタックの周囲領域に閉じ込めることにより拡散を防止し、高濃度の酸素を燃料電池セルの周囲に流通させることができる。これにより、燃料電池セルにおける酸素極に高濃度の酸素を供給でき、発電効率を高めることができる。また、酸素含有ガスを高濃度のまま発電に利用できるので、拡散による無駄が低減され有効に使える。燃料電池セルスタックの周囲に壁状枠体を設けるだけであるので、現状の圧縮機や制御システム等の変更は不要である。

請求項２では、マニホールドとの間に間隙を設けて壁状枠体を設けるのみであるので構造が簡易であり、低コストで実現できる。

請求項３では、酸素含有ガス供給ノズルの流出口が壁状枠体とマニホールドとの間の間隙に向かって開口するので、酸素含有ガスを壁状枠体の外側にほとんど拡散させることなく大部分を壁状枠体の包囲する空間に送り込むことができる。酸素含有ガス供給ノズルと壁状枠体とが分離しているので製造、組み立て、各部品の交換が容易である。

請求項４では、酸素含有ガス供給ノズルの流出口が壁状枠体とマニホールドとの間の間隙を通り壁状枠体の包囲する空間に開口するので、酸素含有ガスを壁状枠体の外側に拡散させずに壁状枠体の包囲する空間へ送り込むことができる。供給ノズルが壁状枠体の外面に当接しているので安定する。

請求項５では、中空の壁状枠体がマニホールドに連設されかつ壁状枠体内部に蛇行路を設けて酸素含有ガスを供給する。この場合、壁状枠体の包囲する空間の側面は完全に閉じているため、酸素含有ガスが壁状枠体の外側へほとんど漏れない。マニホールドと壁状枠体が一体型であるのでセルスタック装置全体の設置、交換が容易である。また、蛇行路を流れる間に酸素含有ガスが十分に加熱されるため、高温状態で酸素含有ガスを供給でき、燃料電池セルを損傷しない。

請求項６では、壁状枠体がマニホールドに連設されかつ酸素含有ガス供給ノズルが壁状枠体と燃料電池セルスタックとの間に設けられる。この場合、壁状枠体の包囲する空間の側面は完全に閉じているため、酸素含有ガスが壁状枠体の外側へほとんど漏れない。また、供給ノズルの流出口がストレートでよいので製造が容易である。供給ノズルが独立した部品であるので交換が容易である。

請求項７では、壁状枠体がマニホールドに連設されかつ酸素含有ガス供給路がマニホールドの側壁内に設けられる。この場合、壁状枠体の包囲する空間の側面は完全に閉じているため、酸素含有ガスが壁状枠体の外側へほとんど漏れない。また、酸素含有ガス供給路は、酸素含有ガス供給ノズルに比べて燃料電池セルまでの供給路が短いため圧損が小さい。また、供給ノズルに比べて破損し難い。

請求項８では、壁状枠体がマニホールドに連設されかつ酸素含有ガス供給路がマニホールドの側壁内に設けられる。この場合、壁状枠体の包囲する空間の側面は完全に閉じているため、酸素含有ガスが壁状枠体の外側へほとんど漏れない。さらに、マニホールドが壁状枠体により側面及び底面を支持されるため転倒し難い。マニホールドと壁状枠体が一体型であるのでセルスタック装置全体の交換が容易である。

請求項９では、セル配列方向においてセルスタックの端部側に位置する酸素含有ガス包囲手段が導電性であり、燃料電池セルスタックの端部と電気的に接続される。これにより、酸素含有ガス包囲手段を用いて発電電流を取り出すことができる。酸素含有ガス包囲手段は、その近傍または内部に酸素含有ガスが流通することで比較的冷却されやすいため高温の影響が緩和される。この結果、従来の電流取り出し金属において生じていた酸化による電気抵抗増大の問題が解消される。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の基本的な実施形態を示す燃料電池セルスタック装置１の概略的な外観斜視図である。固体電解質形燃料電池セル３０は、背景技術で説明した図１０と同様の平板柱状のものである。以下の説明では、便宜上、燃料電池セル３０の軸方向を上下方向として説明するが、この軸方向を水平に向けて設置することもある。また、燃料電池セル３０の配列方向を前後方向と称し、これに垂直な方向を左右方向と称する。燃料電池セル３０の内部には軸方向に複数の燃料ガス通路３１ａが穿設されている。前述の通り、平板柱状の燃料電池セル３０の一方の平坦外面には酸素極が、他方の平坦外面にはインターコネクタ（燃料極と導通）が設けられている。

図１では、燃料電池セル３０を複数配列させて構成した１つの燃料電池セルスタックの一部のみを示している。各燃料電池セル３０の下端は、マニホールド１１の上壁を形成するガラスまたはセメント等のセル固定材１３により支持固定される。それぞれの燃料ガス通路３１ａはマニホールド１１の内部空間と連通する。
燃料電池セル３０同士の間には、酸素極とインターコネクタとを電気的に接続する集電体（図示省略）が挿入される。集電体は、耐熱金属またはセラミックス等の導電性材料からなり、燃料電池セル３０間における酸素含有ガスの流れを妨げず、各酸素極に酸素含有ガスが十分供給されるような構造とされる。

燃料電池セルスタックの側面周囲（前後及び左右）は、所定の間隔を空けて酸素含有ガス包囲手段である壁状枠体１０により取り囲まれている。壁状枠体１０は、左右一対の枠体側部１０ａと、前後一対の枠体端部１０ｂとから構成され、左右の枠体側部１０ａとマニホールド１１の上壁との間には、上下方向に間隙１５が設けられている。この間隙１５があるので、燃料電池セルスタックの側面周囲空間は完全には閉塞されないが、枠体側部１０ａ及び枠体支持部１０ｂのない場合に比べれば閉塞性が格段に高まる。なお、前後の枠体端部１０ｂは、マニホールド１１の両端部にそれぞれ固定されることにより、壁状枠体１０全体を支持する。壁状枠体１０の包囲する空間の上面は基本的に開放されているが、後述する図７に示す形態のように、排ガスの排出に支障のない限り部分的に閉塞してもよい。

なお、「壁状枠体」は、酸素含有ガスの閉じ込め効果が十分得られる程度に燃料電池セルスタックの側面周囲を取り囲む部材であればよく、必ずしも四方の各側面に配置された部材が互いに完全に接合され一体化された部品でなくともよい。例えば、各側面の角部が接合されておらず、支障ない程度の間隙があってもよい。また、四方の各側面の部材として必ずしも別部品を新たに追加する必要はなく、既存の部品の配置や形状等の設計を変更することにより、本発明における壁状枠体の効果を奏するように兼用させてもよい。

さらに、酸素含有ガス供給ノズル１２が、上方から延びて壁状枠体１０とマニホールド１１との間の間隙１５まで到達し、その下端に流出口１２ｂを具備する。流出口１２ｂは壁状枠体１０とマニホールド１１との間の間隙１５に向かって開口する。従って、供給ノズル１２により上方から供給された酸素含有ガスは、流出口１２ｂで水平方向に方向転換させられ、間隙１５に向かって噴射される（矢印参照）。なお、流出口１２ｂが両方向に開口しているのは、隣に設置される同じ構造の別の燃料電池セルスタック装置に対しても噴射するためである。

間隙１５に向かって噴射された高圧の酸素含有ガスは、ほとんどが壁状枠体１０により包囲される空間内に流入する。壁状枠体１０を設けない従来構造に比べて酸素含有ガスの拡散を格段に低減でき、高圧状態を保持できるので、酸素含有ガスを高濃度で燃料電池セル３０の酸素極へ供給できる。この場合の間隙１５の大きさは、ガス噴射後の拡散を防ぐためにはできるだけ狭くすることが望ましいが、流出口１２ｂとの距離や噴射ガスの拡がり角なども考慮してなるべく多くの酸素含有ガスを壁状枠体１０の内側に取り込めるように間隙１５を設定する。

壁状枠体１０の材料としては、耐熱金属またはセラミックスを用いることができる。ただし、導電性材料の場合は、燃料電池セル３０と接触するおそれのある箇所については絶縁物を挿入するか被覆することが望ましい。

図２は、燃料電池セルスタック装置１を３個並置した状態の平面図である。酸素含有ガス供給ノズル１２は、燃料電池セルスタック装置１同士の間に燃料電池セル３０の配列方向に沿って３個ずつ設けられている。酸素含有ガス供給ノズル１２の数及び位置は、壁状枠体１０の包囲する空間内においてできるだけ均一な濃度で酸素含有ガスが分布するように設定される。

図３Ａは、図１に示した燃料電池セルスタック装置１の縦断面図である。壁状枠体１０の枠体側部１０ａの外面に対し離間して酸素含有ガス供給ノズル１２がそれぞれ設けられている。酸素含有ガス供給ノズル１２は、燃料電池セル３０の軸方向に平行に延在する管路１２ａと、管路１２ａの一端にて間隙１５に向かって開口する流出口１２ｂとを具備する。図３Ａの酸素含有ガス供給ノズル１２は全体形状がＴ型であり、流出口１２ｂが管路１２ａに対して垂直方向に延び両側に開口する。
また、図３Ａに示す通り、マニホールド１１の内部空間１１ａと各燃料ガス通路３１ａは連通している。

図３Ｂは、本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。図３Ｂの実施形態では、壁状枠体１０の枠体側部１０ａの外面に対し当接して酸素含有ガス供給ノズル１２がそれぞれ設けられている。酸素含有ガス供給ノズル１２の形状は図３Ａのものと同じＴ型である。
その管路１２ａに対し垂直な流出口１２ｂは、マニホールド１１と壁状枠体１０との間の間隙を通過して壁状枠体１０の包囲する空間に開口している。図３Ｂの形態は、図３Ａの形態よりもさらに酸素含有ガスの拡散を低減できる。なお、図３Ｂの形態におけるマニホールド１１と壁状枠体１０との間の間隙は、流出口１２ｂ以外の部分を閉塞すれば側面が完全に閉じた空間となるため望ましいが、開放状態のままでもよい。

図４Ａは、本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。図４Ａの実施形態では、壁状枠体１０の左右一対の枠体側部１０ａがマニホールド１１の上壁両側からそれぞれ上方に延びるように連設されている。なお、図示されていない前後一対の枠体支持部については、図１の形態の枠体支持部１０ｂと同様にマニホールド１１の両端部に固定されている（後述する各形態においても同様）。従って、燃料電池セルスタックの側面周囲空間は完全に閉塞される。なお、壁状枠体１０とマニホールド１１とを一体部品として製造してもよいし、別部品として製造した後に接合してもよい。
また、前後一対の枠体支持部についてはマニホールドの両端部に固定し、左右一対の枠体側部１０ａについては、前後一対の枠体支持部とは分離可能に設けてもよい。

図４Ａの壁状枠体１０の内部は中空であり、酸素含有ガス供給路１４が形成されている。酸素含有ガス供給路１４は、酸素含有ガスが壁状枠体１０の上端または上端近傍の流入口１０ａ１から流入し、降下し、そして下端または下端近傍の流出口１０ａ３から壁状枠体１０の包囲する空間に流出するように設けられている。この場合、壁状枠体１０とマニホールド１１との間に間隙がなく側面を完全に閉塞された空間となるため、酸素含有ガスは壁状枠体１０の外側にほとんど漏れない。

なお、前述の図３Ａ及び図３Ｂの実施形態も含め、酸素含有ガスが燃料電池セルスタックの上方から降下してくる場合、降下途中でガスが加熱され、高温となって燃料電池セルへ供給される。これにより、低温のガスとの接触によって燃料電池セルが損傷を被ることが避けられる。

図４Ａの酸素含有ガス供給路１４は、壁状枠体１０の中空内において前後方向に交互に延在する複数の仕切り材１０ａ２により蛇行路を形成することが好適である。蛇行路とすることにより経路が長くなるため、酸素含有ガスが十分高温に加熱される。図４Ｂ及び図４Ｃは、図４Ａの壁状枠体１０内部に設けられた蛇行路の実施例を示す一部切り欠き部分斜視図である。図中の矢印は酸素含有ガスの流れの方向を示している。図４Ｂでは、流出口１０ａ３が前後方向に延びるスリット形状である。図４Ｃでは、流出口１０ａ３が前後方向に沿って分布する複数の孔形状である。図４Ｃにおける複数の流出口１０ａ３の分布は、端部近傍では疎に、中央部では密になっている。これは、壁状枠体１０の包囲する内側空間の中央部に集中的に酸素含有ガスを供給するためである。燃料電池セルスタックにおいては中央部の燃料電池セルの温度が端部のものに比べて高い傾向があるので、これを防止するためである。

図４Ａの変形形態として、図４Ｂ及び図４Ｃに示した酸素含有ガス供給路を内設した中空壁状枠体の下端をマニホールド上壁に接合せず、マニホールドから分離させて配置してもよい。

図５は、本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。図５の実施形態では、図４Ａの形態と同様に、壁状枠体１０の左右一対の枠体側部１０ａがマニホールド１１の上壁両側からそれぞれ上方に延びるように連設されている。なお、壁状枠体１０とマニホールド１１とを一体部品として製造してもよいし、別部品として製造した後に接合してもよい。

図５では、壁状枠体１０と燃料電池セル３０との間（すなわち燃料電池セルスタックとの間）に酸素含有ガス供給ノズル１２が設けられている。酸素含有ガス供給ノズル１２は、燃料電池セル３０の軸方向に平行に上方から延在する管路１２ａと、管路１２ａの一端にて開口する流出口１２ｂとを具備する。この場合、流出口１２ｂは下方に向かって開口しているため、酸素含有ガス供給ノズル１２は簡易なストレート管でよい。また、供給ノズル１２が詰まった場合に供給ノズル１２だけを交換できる。この場合も、壁状枠体１０とマニホールド１１との間に間隙がなく側面を完全に閉塞された空間となるため、酸素含有ガスは壁状枠体１０の外側にほとんど漏れない。

図６は、本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。図６の実施形態では、図４Ａの形態と同様に、壁状枠体１０の左右一対の枠体側部１０ａがマニホールド１１の上壁両側からそれぞれ上方に延びるように連設されている。なお、壁状枠体１０とマニホールド１１とを一体部品として製造してもよいし、別部品として製造した後に接合してもよい。

図６では、マニホールド１１に酸素含有ガス供給路１６が形成されている。酸素含有ガス供給路１６は、マニホールド１１外部からの流入口１１ｂと、マニホールド１１の側壁内を通る管路１１ｃと、管路１１ｃの一端にて壁状枠体１０の包囲する空間に開口する流出口１１ｄとを具備する。この場合、酸素含有ガス供給路１６は、前述の上方から延びる酸素含有ガス供給ノズルに比べて経路が短いため圧損が少ない。

図６中、壁状枠体１０の内面上に突出させて設けた突起１０ｃは、内部空間において乱流を生じさせ、酸素含有ガスを均一に分布させる働きがある。この突起１０ｃは、他の実施形態にも適用できる。

図７は、本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。図７の実施形態では、壁状枠体１０の左右一対の枠体側部１０ａが、燃料電池セルスタックを包囲すると共にマニホールド１１の側壁外面をも覆っている。さらにマニホールド１１の底壁外面を覆う枠体底部１０ｄが設けられている。枠体側部１０ａと枠体底部１０ｄとは一体的である。この場合、マニホールド１１が壁状枠体１０により側面及び底面を支持されるため転倒し難い。また、マニホールド１１と壁状枠体１０が一体型であるのでセルスタック装置全体の交換が容易である。

図７では、図６の形態と同様に、マニホールド１１の側壁内に酸素含有ガス供給路１６が形成されており、その流入口１０ｅは枠体側部１０ａの外面に開口している。

図７中、壁状枠体１０の上端にて内側に延びる蓋板１０ｆは、壁状枠体１０の包囲する空間の上面を完全に覆うものではないが、この空間内の酸素含有ガスの圧力を高める働きがある。この蓋板１０ｆは、他の実施形態にも適用できる。

図８Ａ（ａ）は、本発明のさらに別の実施形態を示す燃料電池セルスタック装置の概略平面図である。図８Ａ（ｂ）は、図８Ａ（ａ）の燃料電池セルスタック装置の左側面図である。

本実施形態は、前述の図４Ａ〜図４Ｃに示した実施形態に類似し、壁状枠体１０の枠体側部１０ａと枠体端部１０ｂの内部は中空で連通しており、酸素含有ガス供給路１４が形成されている。但し、本実施形態では、壁状枠体１０が耐熱性合金で形成されているため、導電性である。あるいは、少なくとも枠体端部１０ｂが導電性である。枠体端部１０ｂの中空内には、図８Ａ(ａ)に示すようにその厚み方向に内側壁と外側壁との間に架橋される導電部材９９が複数配置されている。これらの導電部材９９は、セルスタックからの電流を最短距離で酸素含有ガス供給管５５へ伝達するために設けられる。

図８Ａ(ａ)の平面図では、両側の端部から２つのコ字状の壁状枠体１０が互いに離間して、燃料電池セルスタック４１を取り囲むように配置されることにより、絶縁性が確保されている。図８Ａ(ａ)では、壁状枠体１０の上面を省略して中空内が見えるように示しているが、実際には上面は蓋で塞がれている。矢印は、酸素含有ガスの流れを示す。

燃料電池セルスタック４１の配列方向に平行な枠体側部１０ａの内側壁には複数の流出口１０ａ３が設けられている。一方、燃料電池セルスタック４１の端部側に位置する枠体端部１０ｂの外側壁には、導電性の酸素含有ガス供給管５５が接続されており、酸素含有ガスが供給される。酸素含有ガスは、枠体端部１０ｂの中空内に入った後、枠体側部１０ａの中空内へと流れて行き、流通口１０ａ３から燃料電池セル３０の周囲に噴出する。

図８Ａ(ａ)に示すように、燃料電池セルスタックの最も端部に位置する燃料電池セルと、壁状枠体１０の導電性の枠体端部１０ｂの内側壁とは、適宜の集電材を介して電気的に接続されている。一方、枠体端部１０ｂの外側壁には導電性の酸素含有ガス供給管５５が接続されている。従って、枠体端部１０ｂ及び酸素含有ガス供給管５５は、燃料電池セルスタックから電流を取り出すための端部集電体の役割を果たしている。酸素含有ガス供給管５５及び枠体端部１０ｂの内部に酸素含有ガスが流通することにより、これらの部材は冷却され、その結果、高温による酸化等の影響がなく電気抵抗の増大が避けられる。

なお、壁状枠体１０が中空でない場合にも、枠体端部１０ｂとセルスタックの端部とを電気的に接続することにより、枠体端部１０ｂから電流を取り出すことが可能である。中空でない場合にも壁状枠体１０の周囲に酸素含有ガスが流通することにより冷却効果が得られ、高温による酸化等の影響を緩和でき、電気抵抗の増大が避けられる。

図８Ｂ（ａ）は、枠体側部１０ａの内側壁から見た図であり、図８Ｂ（ｂ）は、枠体端部１０ｂの内側壁から見た図である。図８Ｂ（ａ）に示す通り、内側壁に分布して設けられた複数の流出口１０ａ３は、燃料電池セルスタックの配列方向に沿った中央部において大きく、端部近傍において小さく設けられている。これにより、高温となりやすい燃料電池セルスタックの中央部における酸素含有ガスの流通を良好にして中央部の過熱を防止すると同時に、ガスの滞留を防止して配列方向全体に亘って酸素含有ガスの濃度が均一となるようにする。図８Ｂ（ｂ）に示すように、枠体端部１０ｂにも複数の流出口１０ｂ１が適宜設けられ、この流出口１０ｂ１からも酸素含有ガスが噴出する。

図８Ｃ（ａ）は、図８Ｂに示した壁状枠体１０の変形形態であり、図８Ｃ（ａ）は壁状枠体１０をその内側壁から見た図である。図８Ｃ（ｂ）は、図８Ｃ（ａ）の一部側面図である。図８Ｃ（ｃ）は、図８Ｃ（ａ）の一部平面図である。図８Ｃの実施形態では、壁状枠体１０の枠体側部１０ａの内側壁の上部に複数のフィン５１が斜め上方に向かって突設されている。これらのフィン５１は、流出口１０ａ３から噴出した酸素含有ガスを乱流化し、流通性を良好にして、燃料電池セルに対してより多くの酸素含有ガスを供給することができる。

図８Ｄ（ａ）は、図８Ａ（ａ）の実施形態の燃料電池セルスタックの端部と、壁状枠体１０の枠体端部１０ｂとの関係を詳細に示す図である。燃料電池セルスタックの最も端部に位置する燃料電池セルに当接する柔軟性のある集電材５２と、導電性の枠体端部１０ｂとは導電性接着剤５３を介して電気的に接続されている。

そして、図８Ｄ（ｂ）に示すように、導電性接着剤５３が、枠体端部１０ｂに適宜設けられた孔１０ｂ１から中空内に入り込み、孔１０ｂ１の径より周囲に拡大した状態で硬化することにより、この中空内で硬化した部分がリベットと同様の作用を発揮して、集電材５２と枠体端部１０ｂとを強固に接続することとなり、機械的並びに電気的な接続強度が向上する。

図９Ａに示すさらに別の実施形態では、マニホールドに燃料ガスを供給する燃料ガス供給管５６の途中管路が、酸素含有ガス供給管５５の管内に挿通されている。これにより、省スペース化が図れると共に、燃料ガス供給管５６を酸素含有ガスの流れで冷却することにより燃料ガス供給管５６の耐酸化性を向上させることができる。

図９Ｂは、図９Ａの実施形態の変形形態を示す図である。この形態は、酸素含有ガス供給管５５の管内に挿通された燃料ガス供給管５６の端部が、枠体端部１０ｂの中空内に入り、下方へ折れてマニホールド１１へと向かい、マニホールド１１の上面からマニホールド１１内に導入されている。この形態では、燃料ガス供給管５６全体が、酸素含有ガスの流れで冷却されるため、より対酸化性を向上させられる。

図９Ｃは、酸素含有ガス供給管５５のさらに別の形態を示す図である。この形態では、酸素含有ガス供給管５５の管壁に複数の孔５７を穿設している。これにより、酸素含有ガス供給管５５に少量の酸素含有ガスを供給するだけで、周囲の空気が酸素含有ガス供給管５５内に引き込まれるため、多量の酸素含有ガスを枠体端部１０ｂの中空内に供給することができる。

以上述べた本発明の各実施形態の燃料電池セルスタック装置を、所定の収納ケースに組み込むことにより燃料電池モジュールを形成できる。

本発明による燃料電池セルスタック装置を用いて発電試験を行った結果を表１に示す。図６に示した酸素含有ガス包囲手段（ただし突起１０ｃを有しない）を設けることにより、電圧及び電力における出力増大の効果が得られることが示された。

本発明の基本的な実施形態を示す燃料電池セルスタック装置の概略的な外観斜視図である。図１の燃料電池セルスタック装置を３個並置した状態の平面図である。図１に示した燃料電池セルスタック装置の縦断面図である。本発明の別の実施形態を示す縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。図４Ａの壁状枠体内部に設けられた蛇行路の実施例を示す一部切り欠き部分斜視図である。図４Ａの壁状枠体内部に設けられた蛇行路の実施例を示す一部切り欠き部分斜視図である。本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。（ａ）は本発明のさらに別の実施形態を示す平面図である。（ｂ）は前図８Ａ（ａ）の側面図である。（ａ）は図８Ａの枠体側部の内側壁から見た図である。（ｂ）は図８Ａの枠体端部の内側壁から見た図である。（ａ）は本発明のさらに別の実施形態における枠体側部の内側壁から見た図である。（ｂ）は（ａ）の一部側面図である。（ｃ）は（ａ）の一部平面図である。（ａ）は図８Ａの端部集電体構造の詳細を示す図である。（ｂ）は（ａ）のさらに詳細な図である。本発明のさらに別の実施形態を示す図である。本発明のさらに別の実施形態を示す図である。本発明のさらに別の実施形態を示す図である。従来提示されている固体電解質形燃料電池セルの一例であり、燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。

符号の説明

１燃料電池セルスタック装置
１０壁状枠体
１１マニホールド
３０燃料電池セル
４１燃料電池セルスタック

Claims

柱状であって軸方向に貫通する燃料ガス通路を具備する固体電解質形燃料電池セルを複数配列させた燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルの各々をその軸方向の一端にて支持しかつ前記燃料ガス通路と連通する内部空間を具備するマニホールドと、
前記燃料電池セルスタックの周囲に供給される酸素含有ガスの拡散を防止するべく該燃料電池セルスタックを取り囲む酸素含有ガス包囲手段とを有することを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
前記酸素含有ガス包囲手段が、前記マニホールドとの間に前記軸方向に間隙を介して設置された壁状枠体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記壁状枠体の外面に対し離間して酸素含有ガス供給ノズルが設けられ、該酸素含有ガス供給ノズルが、前記軸方向に平行に延在する管路と、該管路の一端にて前記間隙に向かって開口する流出口とを具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記壁状枠体の外面に対し当接して酸素含有ガス供給ノズルが設けられ、該酸素含有ガス供給ノズルが、前記軸方向に平行に延在する管路と、該管路の一端から前記間隙を通り該壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドに連設された中空の壁状枠体でありかつ該中空の壁状枠体内に酸素含有ガス供給路が形成されており、該酸素含有ガス供給路が、該壁状枠体内の蛇行路と、該壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドに連設された壁状枠体でありかつ該壁状枠体と前記燃料電池セルスタックとの間に酸素含有ガス供給ノズルが設けられ、該酸素含有ガス供給ノズルが、前記軸方向に平行に延在する管路と、該管路の一端にて開口する流出口とを具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドに連設された壁状枠体でありかつ前記マニホールドに酸素含有ガス供給路が形成されており、該酸素含有ガス供給路が、該マニホールドの側壁内を通る管路と、該管路の一端にて前記壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記酸素含有ガス包囲手段が前記マニホールドの側壁外面を覆う壁状枠体であり該壁状枠体は該マニホールドの底壁外面を覆う底部枠体を具備し、かつ該マニホールドに酸素含有ガス供給路が形成されており、該酸素含有ガス供給路が、該マニホールドの側壁内を通る管路と、該管路の一端にて前記壁状枠体の包囲する空間に開口する流出口とを具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
前記燃料電池セルスタックにおける前記燃料電池セルの配列方向において端部側に位置する前記酸素含有ガス包囲手段が導電性でありかつ前記燃料電池セルスタックの端部と電気的に接続されることにより前記酸素含有ガス包囲手段を用いて電流を取り出すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。