JP2009004251A - 燃料電池セルスタック、燃料電池セルスタックユニット及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックの信頼性を向上させる。
【解決手段】本発明による燃料電池セルスタック(1)は、絶縁性で多孔質の基体(2)と、基体(2)の周囲を管状に覆い且つ複数の燃料電池セル(4)を含むように基体(2)の上に積層された管状部分(6)とを有する。燃料ガスが、管状部分(6)の内側に位置する基体(2)の中を一方の端部(1a)から他方の端部(1b)に流され、空気が管状部分(6)の外側に流される。各燃料電池セル(4)は、一方の端部(1a)から他方の端部(1b)まで延びる形態を有する。複数の燃料電池セル(4)は、管状部分(6)の周方向に１列に配列されると共に、互いに電気的に直列に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックに関し、更に詳細には、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックに関する。

また、本発明は、複数の上記燃料電池セルスタックと、それらが取付けられたマニホールドとを有する燃料電池セルスタックユニットに関する。また、本発明は、複数の上記燃料電池セルスタックと、それらを収容したケースとを有する燃料電池に関する。

従来から、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックが知られている（例えば、特許文献１参照）。燃料電池セルスタックは、複数の燃料電池セルを組合せた構造体である。各燃料電池セルは、燃料極と空気極とを有し、燃料極に水素を含む燃料ガスを作用させ、且つ、空気極に酸素を含む空気を作用させることによって発電させる。上記管状部分を有する燃料電池の場合、一般的には、管状部分の内側に燃料極が配置され、その外側に空気極が配置される。

複数の燃料電池セルを組合せた燃料電池セルスタックの一例を、特許文献１に記載されている燃料電池セルスタックを参照して説明する。図１５は、特許文献１に記載された燃料電池セルスタックの斜視図である。

特許文献１に記載されている燃料電池セルスタック１００は、絶縁性で多孔質の基体１０２と、基体１０２の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セル１０４を含むように基体１０２の上に積層された管状部分１０６とを有している。燃料電池セルスタック１の断面形状は、扁平であり、互いに対向する平面部分１０８を有している。複数の燃料電池セル１０４は、平面部分１０８に形成され、管状部分１０６の一方の端部１０１ａから他方の端部１０１ｂに向かって１列に配列されている。また、各燃料電池セル１０４の面積は、一方の端部１０１ａから他方の端部１０１ｂに向かって次第に大きくなっている。

燃料ガスを管状部分１０６の内側の基体１０２に一方の端部１０１ａから他方の端部１０１ｂに向かって流し、空気を管状部分１０６の外側に流すことによって、燃料電池セル１００を作動させる。燃料ガスを一方の端部１０１ａから他方の端部１０１ｂに向かって流すと、燃料ガス中の水素が一方の端部の側の燃料電池セル１０４から使われるので、燃料ガスは他方の端部に向かうにつれて薄まる。もし、同じ面積の燃料電池セルが配置されていれば、他方の端部に向かうほど、発生電圧が低下する。更に、発生電圧の異なる燃料電池セルが直列に配置されていることにより、発生電圧の小さい燃料電池セルに強制的に電流が流れ、かかる燃料電池セルが劣化する。しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池セルスタック１００では、燃料電池セル１０４の面積が他方の端部に向かうにつれて大きくなっているので、各燃料電池セル１０４の発生電圧を一定に維持することができる。また、燃料電池セル１０４の劣化を防止することができる。

国際公開第２００４／０８２０５８号パンフレット（図２（ａ）〜（ｃ）参照）

上述した燃料電池セルスタック１００において、燃料ガスの水素が完全に消費されて、他方の端部の燃料電池セル１０４に全く水素が供給されない状態、所謂燃料枯れが生じ得る。この場合、他方の端部の燃料電池セルが不良になり、その結果、燃料電池セルが電気的に直列に接続された燃料電池セルスタック全体が機能しなくなる。従って、燃料枯れが生じても、燃料電池セルが不良にならず、燃料電池セルスタック全体の機能が維持されるように信頼性を向上させる余地がある。

また、各燃料電池セル１０４の面積は、燃料ガスの流量や濃度等に応じて決定されるので、燃料電池セルの仕様設計が困難である。

そこで、本発明は、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックの信頼性を向上させること、及び、上記燃料電池セルスタックを含む燃料電池セルスタックユニット及び燃料電池を提供することを第１の目的としている。

本発明は、更に、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックの信頼性を向上させることができ且つその仕様設計を容易にすること、及び、上記燃料電池セルスタックを含む燃料電池セルスタックユニット及び燃料電池を提供することを第２の目的としている。

上記第１の目的を達成するために、本発明による燃料電池セルスタックは、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックであって、空気及び燃料ガスの一方が、管状部分の内側に位置する基体の中を一方の端部から他方の端部に流され、空気及び燃料ガスの他方が管状部分の外側に流され、各燃料電池セルは、一方の端部から他方の端部まで延びる形態を有し、複数の燃料電池セルは、管状部分の周方向に１列に配列されることを特徴としている。

このように構成された燃料電池セルスタックでは、一方の端部から他方の端部に向かって燃料ガス（又は空気）を流したとき、他方の端部において燃料枯れ（又は空気枯れ）が生じても、一方の端部において各燃料電池セルが機能しているため、燃料電池セル４が不良になることはなく、燃料電池セルスタック自体が機能しなくなることはない。その結果、燃料電池セルスタックの発電効果が維持され、信頼性が高い燃料電池セルスタックを提供することができる。

また、他方の端部において燃料枯れ（又は空気枯れ）が生じた場合、各燃料電池セルの発電効率は低下するけれども、燃料電池セルが管状部分の周方向に１列に配列されているので、各燃料電池セルの発電効率の低下はほぼ同じになる。従って、各燃料電池セルによる発生電圧はほぼ一定であり、各燃料電池セルの劣化を防止することができる。

本発明の燃料電池の実施形態において、好ましくは、管状部分が積層された基体の周面は、互いに反対側に位置する２つの平面部分と、それらを互いに連結し且つ互いに反対側に位置する２つの接続面部分とを有し、複数の燃料電池セルは、平面部分に形成され、管状部分は、更に、一方の平面部分に形成された第１の燃料電池セルと他方の平面部分に形成された第２の燃料電池セルを電気的に直列に接続するために接続面部分に積層された延長集電層を有し、延長集電層と前記一方の平面部分の燃料電池セル及び他方の平面部分の燃料電池セルとは、一方の端部から前記他方の端部にわたって接続される。

また、上記実施形態の燃料電池セルスタックにおいて、好ましくは、一方の接続面部分に積層された延長集電層によって直列に接続された燃料電池セルを含むように直列に接続された一連の燃料電池セルから構成される単一の直列接続セルグループを有する。

なお、本明細書において、直列接続セルグループとは、単一の燃料電池セルスタックにおいて、互いに直列に接続された一連の燃料電池セルのグループを指す。

また、上記実施形態の燃料電池セルスタックにおいて、好ましくは、一方の接続面部分に積層された延長集電層によって直列に接続された燃料電池セルを含むように直列に接続された一連の燃料電池セルから構成される第１の直列接続セルグループと、他方の接続面部分に積層された延長集電層によって直列に接続された燃料電池セルを含むように直列に接続された一連の燃料電池セルから構成される第２の直列接続セルグループと、を有し、第１の直列接続セルグループ及び第２の直列接続セルグループは互いに絶縁され、且つ、それぞれの燃料極端子及び空気極端子を有し、第１の直列接続セルグループの燃料極端子と第２の直列接続セルグループの空気極端子が一方の平面部分に配置され、第１の直列接続セルグループの空気極端子と第２の直列接続セルグループの燃料極端子が他方の平面部分に配置される。

また、本発明の燃料電池の実施形態において、好ましくは、各燃料電池セルは、平面形態の燃料極及び空気極を有し、各燃料電池セルの燃料極及び空気極の面積がそれぞれ等しい。この場合、既存の燃料電池セルの燃料極及び空気極の面積及び／又は燃料電池セルの個数を燃料電池セルスタックの仕様に合わせて比例的に変更することにより、仕様設計が容易にでき、上記第２の目的を達成することができる。

また、本発明による燃料電池セルスタックユニットは、複数の上記燃料電池セルスタックと、それらが取付けられたマニホールドと、を有することを特徴とする。

また、本発明による燃料電池は、複数の上記燃料電池セルスタックと、それらを収容したケースと、を有することを特徴とする。

以上説明した通り、本発明によれば、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックの信頼性を向上させることができ、また、上記燃料電池セルスタックを含む燃料電池セルスタックユニット及び燃料電池を提供することができる。

また、本発明によれば、絶縁性で多孔質の基体と、基体の周囲を管状に覆い且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックの信頼性を向上させ且つその仕様設計を容易にすることができ、また、上記燃料電池セルスタックを含む燃料電池セルスタックユニット及び燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明による燃料電池セルスタックの第１の実施形態を説明する。ここで、燃料電池セルスタックとは、複数の燃料電池セルを含む１つの構造体をいう。

図１は、本発明による燃料電池スタックの第１の実施形態の概略的な斜視図である。また、図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩにおける図式的な断面図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態である燃料電池セルスタック１は、絶縁性で多孔質の基体２と、基体２の周囲を管状に覆い、且つ複数の燃料電池セル４を含むように基体２の上に積層された管状部分６とを有している。この燃料電池セルスタック１では、空気及び燃料ガスの一方が、管状部分６の内側に位置する基体２の中を一方の端部１ａから他方の端部１ｂに流され、空気及び燃料ガスの他方が管状部分６の外側に流される。以下、例示として、管状部分６の内側に位置する基体２の中を燃料ガスが流れる構造の燃料電池セルスタック１を説明する。また、燃料ガスが流れる方向を管内ガス流れ方向Ｆと称する。基体２は、管内ガス流れ方向Ｆと垂直な細長い断面を有し、また、管内ガス流れ方向Ｆに貫通する複数の孔８を有している。基体２は、例えば、ＣａやＹ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、マグネシア、スピネル、フォルステライトなどの少なくとも一種から形成されることが好ましい。

図２に示すように、管状部分６が積層された基体２の周面は、互いに反対側に位置する２つの平面部分１０ａ、１０ｃと、それらを互いに連結し且つ互いに反対側に位置する２つの接続面部分１０ｂ、１０ｄとを有している。本実施形態では、一方の平面部分１０ａに２つの燃料電池セル４ａ、４ｂが形成され、他方の平面部分１０ｂに２つの燃料電池セル４ｃ、４ｄが形成されている。各燃料電池セル４ａ〜４ｄは、同様の構造を有している。以下、燃料電池セル４ａの構成要素に符号ａを付してそれを説明し、それに対応する他の燃料電池セル４ｂ〜４ｄの構成要素にそれぞれ符号ｂ〜ｄを付して、それらの説明を省略する。なお、図２において、燃料電池セル４ａ〜４ｄの構成要素を説明するために、それらの厚さを基体２の厚さに比べて大きくして表している。

燃料電池セル４ａは、基体２の上に積層された燃料極１２ａと、燃料極１２ａを覆うように積層された電解質１４ａと、電解質１４ａの上に積層された空気極１６ａと、空気極１６ａの上に積層された集電層１８ａとを有している。電解質１４ａは、空気又は燃料ガスを透過させない緻密材料で形成され、燃料極１２ａ及び基体２を覆った管状の構造を有している。なお、電解質１４ａ〜１４ｂは、分離しているわけではなく、一体の層１４を構成している。

燃料極１２ａは、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質１４ａは、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

空気極１６ａは、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

集電層１８ａは、導電性及び空気透過性という観点から、銀を含有する多孔質導電性膜であることが好ましい。

基体２の厚さＴは、例えば、２ｍｍであり、燃料極１２ａの厚さは、例えば、５０μｍであり、電解質１４ａの厚さは、例えば、３０μｍであり、空気極１６ａの厚さは、例えば、３０μｍであり、集電層１８ａの厚さは、例えば１０μｍである。基体２の幅Ｗは、例えば、３０ｍｍであり、基体２の長さＬは、例えば、８０ｍｍである（図１参照）。

燃料電池セルスタック１は、更に、燃料電池セル４ａ〜４ｄを直列に接続するためのインターコネクタ２０ａ〜２０ｄ及び延長集電層２２を有している。

インターコネクタ２０ａ〜２０ｄはそれぞれ、各燃料電池セル４ａ〜４ｄの燃料極１２から電解質１４を貫いて突出し、且つ、空気極１６及び集電層１８と離間している。インターコネクタ２０ａ〜２０ｄは、例えば、Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンクロマイト、銀ろう、銀及び銀を含む合金、銀とガラスの混合体、などの少なくとも一種から形成される。インターコネクタ２０ａ〜２０ｄの厚さは、例えば、６０μｍである。

延長集電層２２は、一方の接続面部分１０ｂの電解質１４の上に積層されている。延長集電層２２は、電気的接続という観点から、銀を含有する導電性部材であることが好ましく、集電層１８と同一の材料であっても良いし、インターコネクタ２０ａ〜ｄと同一の材料であっても良い。延長集電層２２の厚さは、例えば、２０μｍである。

図１に示すように、各燃料電池セル４ａ〜４ｄ、インターコネクタ２０ａ〜２０ｄ及び延長集電層２２は、一方の端部１ａから他方の端部１ｂまで延びる形態を有している。図１には、燃料電池セル４ａ、４ｂの集電層１８ａ、１８ｂ、インターコネクタ２０ａ及び延長集電層２２が見えている。燃料極１２ａ〜１２ｄ、空気極１６ａ〜１６ｄ及び集電層１８ａ〜１８ｄは、矩形に積層されている。

４つの燃料電池セル４ａ〜４ｄは、管状部分６の周方向に１列に配列されると共に、互いに電気的に直列に接続されている。具体的には、図２に示すように、第１の燃料電池セル４ａの空気極１６ａ及び集電層１８ａと第２の燃料電池セル４ｂの燃料極１２ｂとがインターコネクタ２０ｂを介して接続され、第２の燃料電池セル４ｂの集電層１８と第３の燃料電池セル４ｃの燃料極１２ｃとが延長集電層２２及びインターコネクタ２０ｃを介して接続され、第３の燃料電池セル４ｃの空気極１６ｃ及び集電層１８ｃと第４の燃料電池セル４ｄの燃料極１２ｄとがインターコネクタ２０ｄを介して接続されている。それにより、第４の燃料電池セル４ｄから第３及び第２の燃料電池セル４ｃ、４ｂを介して第１の燃料電池セル４ａまで延びる直列接続セルグループ、即ち、互いに直列に接続された一連の燃料電池セル４のグループ２４ａが構成される。本実施形態では、燃料電池セルスタック１は、単一の直列接続セルグループ２４ａを有している。直列接続セルグループ２４ａにおいて、インターコネクタ２０ａは、燃料極端子２６として作用し、第４の燃料電池セル４ｄの集電層１８ｄは、空気極端子２７として作用し、燃料極端子２６と空気極端子２７との間の電圧が取り出される。上記接続はすべて、一方の端部１ａから他方の端部１ｂにわたってなされている。

第１の燃料電池セル４ａの空気極１６ａ及び第３の燃料電池セル４ｃの空気極１６ｃはそれぞれ、インターコネクタ２０ｂ、２０ｄに接続されていなくてもよい。しかしながら、図２に示すように、空気極１６ａ、１６ｃは、集電層１８ａ、１８ｃと共にインターコネクタ２０ｂ、２０ｄに接続されるように配置されることが好ましい。それにより、空気極１６ａ、１６ｃとインターコネクタ２０ｂ、２０ｄとの間の電気的接続の信頼性を確保することができると共に、集電層１８ａ、１８ｃを介して露出される空気極１６ａ、１６ｃの面積を広くして、発電出力を増大させることができる。

次に、本発明による燃料電池セルスタック作り方の一例を説明する。

先ず、絶縁性の基体原料粉末を押出し成形することによって、多孔性の基体２を形成する。多孔の程度を調整するという観点から、原料粉末に球状粒子のセルロースや繊維状のグラファイト等の造孔材などを添加してもよい。

次いで、燃料極１２ａ〜１２ｄを基体２の上にスクリーン印刷する。スクリーン印刷は、基体２を周方向に回すように行い、両方の平面部分１０ａ、１０ｃについて行う。燃料極１２ａ〜１２ｄをスクリーン印刷する代わりに、例えば、予めシート状に成形した燃料極１２ａ〜１２ｄを基体２の上にドクターブレード法によって貼り付けてもよい。

次いで、インターコネクタ２０ａ〜２０ｄが形成される部分をマスキングして、電解質１４をスラリーコートし、基体２と燃料極１２ａ〜１２ｄと電解質１４とを、例えば、１４００℃で共焼成する。

次いで、空気極１６ａ〜１６ｄを、燃料極１２ａ〜１２ｄと同様にしてスクリーン印刷し、例えば、１１００℃で焼成する。空気極１６ａ〜１６ｄをスクリーン印刷する代わりに、例えば、予めシート状に成形した空気極１６ａ〜１６ｄを電解質１４の上にドクターブレード法によって貼り付けてもよい。

次いで、インターコネクタ２０ａ〜２０ｄをスクリーン印刷によって形成する。インターコネクタ２０ａ〜２０ｄをスクリーン印刷する変わりに、例えば、インターコネクタ粉末をペースト化して直接塗布してもよい。インターコネクタ２０ａ〜２０ｄは、空気極１６ａ〜１６ｄと直接接続されるように形成されることが好ましい。

最後に、集電層１８ａ〜１８ｄ及び延長集電層２２をスクリーン印刷によって形成し、インターコネクタ２０ａ〜２０ｄ、集電層１８ａ〜１８ｄ及び延長集電層２２を、例えば、８００℃で共焼成する。集電層１８ａ〜１８ｄ及び延長集電層２２をスクリーン印刷する代わりに、例えば、予めシート状に成形した集電層１８ａ〜１８ｄを空気極１６ａ〜１６ｄ及びインターコネクタ２０ｂ〜２０ｄの上にドクターブレード法によって貼り付けてもよい。

次に、本発明による燃料電池セルの動作を説明する。

基体２の孔８に一方の端部１ａから燃料ガスを供給する。基体２が多孔質であるため、燃料ガスは、孔８だけでなく、基体２全体に行き渡る。燃料ガスは、水素や、炭化水素燃料を改質した改質ガス等を含み、燃料極１２と作用する。燃料ガスは、発電反応により、他方の端部１ｂに向かうにつれて薄まる。

また、燃料電池セルスタック１の管状部分６の周りに且つ他方の端部１ｂに向かって、空気を供給する。空気は、酸素を含み、多孔質である集電層１８を通り抜けて空気極１６と作用する。空気は、発電反応により、他方の端部１ｂに向かうにつれて薄まるけれども、空気は、通常、燃料電池の作動温度をコントロールする目的で、比較的大量に供給される。

燃料極端子２６、即ち、インターコネクタ２０ａと、空気極端子２７、即ち、第４の燃料電池セル４ｄの集電層１８ｄとを電気的に接続することにより、燃料電池セルスタック１の発電効果が得られる。

燃料極１２ａ〜１２ｄと作用しなかった燃料ガスは、他方の端部１ｂから出たところで、空気中の酸素と共に燃焼される。

本発明による燃料電池セルスタック１では、他方の端部１ｂにおいて燃料枯れが生じた場合であっても、一方の端部１ａにおいて各燃料電池セル４が機能しているため、燃料電池セル４自体が不良になることはない。その結果、燃料電池セルスタック１の発電効果が維持され、信頼性が高い燃料電池セルスタック１を提供することができる。

また、他方の端部１ｂにおいて燃料枯れが生じた場合、各燃料電池セル４の発電効率は低下するけれども、燃料電池セル４が管内ガス流れ方向Ｆに対して垂直な周方向に１列に配列されているので、電気的に直列に接続された各燃料電池セル４ａ〜４ｄの発電効率の低下はほぼ同じである。従って、各燃料電池セル４ａ〜４ｄによる発生電圧はほぼ一定であり、各燃料電池セル４ａ〜４ｄの劣化が防止され、即ち、耐久性が向上する。

また、本発明による燃料電池セルスタック１は、従来技術の燃料電池セルスタックと異なり、燃料極１２ａ〜１２ｄ、空気極１６ａ〜１６ｄ、集電層１８ａ〜１８ｄの面積を各燃料電池セル４ａ〜４ｄにおいて同じにすることができるので、設計及び製造が容易になる。例えば、燃料電池セルスタック１の発生電圧を増加させたい場合には、セル数を増やせばよく、その電流を増加させたい場合には、燃料極１２ａ〜１２ｄ及び空気極１６ａ〜１６ｄの面積を広げればよい。従って、本発明による燃料電池セルスタック１によれば、小型であっても、比較的高い電圧発生させることが容易である。

次に、燃料電池セルスタックの第２の実施形態を説明する。図３は、本発明による燃料電池セルスタックの第２の実施形態の図２と同様の断面図である。

図３に示すように、本発明の第２の実施形態である燃料電池セルスタック３０は、燃料電池セル４ａ〜４ｄの接続の仕方が異なること以外、第１の実施形態である燃料電池セルスタック１と同様の構造を有している。概略的には、第２と第３の燃料電池セル４ｂ、４ｃが電気的に直列に接続され、第４と第１の燃料電池セル４ｄ、４ａが電気的に直列に接続されている。

詳細には、第２の燃料電池セル４ｂの集電層１８ｂと第３の燃料電池セル４ｃの燃料極１２ｃとが、一方の接続面部分１０ｂの電解質１４の上に積層された延長集電層２２及びインターコネクタ２０ｃを介して接続されている。それにより、第３の燃料電池セル４ｃから第２の燃料電池セル４ｂまで延びる第１の直列接続セルグループ２４ｂが構成される。第１の直列接続セルグループ２４ｂにおいて、インターコネクタ２０ｂは、燃料極端子２６ａとして作用し、第３の燃料電池セル４ｃの集電層１８ｃは、空気極端子２７ａとして作用し、燃料極端子２６ａと空気極端子２７ａとの間の電圧が取り出される。

また、第４の燃料電池セル４ｄの集電層１８ｄと第１の燃料電池セル４ａの燃料極１２ａとが、他方の接続面部分１０ｄの電解質１４の上に積層された延長集電層２３及びインターコネクタ２０ａを介して接続されている。それにより、第１の燃料電池セル４ａから第４の燃料電池セル４ｄまで延びる第２の直列接続セルグループ２４ｃが構成される。第２の直列接続セルグループ２４ｃは、第１の直列接続セルグループ２４ｂに対して絶縁されている。第２の直列接続セルグループ２４ｃにおいて、インターコネクタ２０ｄは、燃料極端子２６ｂとして作用し、第１の燃料電池セル４ａの集電層１８ａは、空気極端子２７ｂとして作用し、燃料極端子２６ｂと空気極端子２７ｂとの間の電圧が取り出される。

かくして、本実施形態では、燃料電池セルスタック３０は、２つの直列接続セルグループ２４ｂ、２４ｃを有している。第１の直列接続セルグループ２４ｂの燃料極端子２６ａ及び第２の直列接続セルグループ２４ｃの空気極端子２７ｂが、一方の平面部分１０ａに配置され、第１の直列接続セルグループ２４ｂの空気極端子２７ｂ及び第２の直列接続セルグループ２４ｃの燃料極端子２６ｂが他方の平面部分１０ｃに配置されることが好ましい。

次に、燃料電池セルスタックの第３の実施形態を説明する。図４は、本発明による燃料電池セルスタックの第３の実施形態の図２と同様の断面図である。

図４に示すように、本発明の第３の実施形態である燃料電池セルスタック４０は、燃料電池セル４ａ〜４ｄの接続の仕方が異なること以外、第１の実施形態である燃料電池セルスタック１と同様の構造を有している。概略的には、第２〜第４と第１の燃料電池セル４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ａが電気的に直列に接続されている。

詳細には、図４に示すように、第２の燃料電池セル４ｂの集電層１８ｄと第３の燃料電池セル４ｃの燃料極１２ｃとが延長集電層２２及びインターコネクタ２０ｃを介して接続され、第３の燃料電池セル４ｃの空気極１６ｃ及び集電層１８ｃと第４の燃料電池セル４ｄの燃料極１２ｄとがインターコネクタ２０ｄを介して接続され、第４の燃料電池セル４ｄの集電層１８ｄと第１の燃料電池セル４ａの燃料極１２ａとが延長集電層２３及びインターコネクタ２０ａを介して接続されている。それにより、第１の燃料電池セル４ａから第４及び第３の燃料電池セル４ｄ、４ｃを介して第２の燃料電池セル４ｂまで延びる直列接続セルグループ２４ｄが構成される。本実施形態では、燃料電池セルスタック４０は、単一の直列接続セルグループ２４ｄを有している。直列接続セルグループ２４ｄにおいて、インターコネクタ２０ｂは、燃料極端子２６として作用し、第１の燃料電池セル４ａの集電層１８ａは、空気極端子２７として作用し、燃料極端子２６と空気極端子２７との間の電圧が取り出される。

次に、燃料電池セルスタックユニットの第１の実施形態を説明する。図５は、本発明による燃料電池セルスタックユニットの第１の実施形態の斜視図である。

本発明の第１の実施形態である燃料電池セルスタックユニット５０は、燃料ガスマニホールド５２と、その上に配置された２５個の第１の実施形態の燃料電池セルスタック１とを有している。

燃料ガスマニホールド５２は、横長の直方体形状の密封箱であり、その内部に、燃料ガスが充填される燃料ガス空間５４を有している。燃料ガス空間５４は、各燃料電池セルスタック１の孔８と連通している。燃料ガス空間５４には、燃料ガス供給管（図示せず）から燃料ガスが供給される。燃料ガス供給管（図示せず）は、改質ガス装置（図示せず）に接続されることが好ましい。

燃料電池セルスタック１は、隣接した燃料電池セル１の平面部分１０ａ、１０ｂが対向するように且つ１列に燃料ガスマニホールド５２の上にロウ付け又はガラスを用いて気密に固定されている。隣接した燃料電池セル１は、電極接続部材５６を介して電気的に直列に接続されている。

図６は、電極接続部材を取付けた燃料電池セルスタックの斜視図である。図７は、電極接続部材の斜視図である。図８は、燃料電池セルスタックユニットの電流の流れを示す概略図である。

図６及び図７に示すように、電極接続部材５６は、燃料電池セルスタック１の他方の端部１ｂに取付けることが可能な取付け部５６ａと、取付け部から下方に延びる接続部５６ｂとを有している。取付け部５６ａは、燃料電池セルスタック１の他方の端部１ｂを締め付けるように嵌め込み可能なＣ字形断面形状を有している。接続部５６ｂは、隣接した燃料電池セルスタック１の間で押圧されて撓み可能なＵ字形断面形状を有している。接続部５６ｂは、互いに隣接した一方の燃料電池セルスタック１の第１の燃料電池セル４ａのインターコネクタ２０と他方の燃料電池セルスタック１の第４の燃料電池セル４ｄの集電層１８とに押付けられ、一方の端部１ａから他方の端部１ｂにわたって接触している。それにより、隣接した燃料電池セルスタック１が電気的に直列に且つ確実に接続されている。かくして、図８に示すように、燃料電池セルスタックユニット６０の燃料極端子２６ｕ及び空気極端子２７ｕはそれぞれ、一方の側の燃料電池セルスタック１の燃料極端子２６及び他方の側の空気極端子２７であり、電流が矢印Ａ１で示す経路で流れる。電極接続部材５６と燃料電池セルスタック１をより確実に接続するという観点から、電極接続部材５６と燃料電池セルスタック１との間に導電性接着剤や銀とガラスの混合体を介在させてもよい。

電極接続部材５６は、例えば、銀やランタンクロマイトやランタンコバルタイトなどで被覆された各種金属、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属を、板金加工等することによって形成されることが好ましい。また、電極接続部材５６はＵ字部厚さ方向に電流が流れるという観点、燃料電池セルスタック１の外側に流れる反応ガスの流れを整流するという観点から、緻密体であることが好ましい。

電極接続部材５６は、対向した燃料電池セル４の間で一方の端部１ａから他方の端部１ｂにわたって延びているので、その一部分で接触不良があっても、燃料電池セル４の電気的な接続状態が維持され、燃料電池セルスタックユニット５０の信頼性が向上する。

図９及び図１０は、電極接続部材の変形例を示す斜視図である。

図９に示すように、変形例の電極接続部材５８は、電極部材５６の接続部５６ｂと同様、隣接した燃料電池セルスタック１の間で押圧されて撓み可能にＹ字形状に折り曲げられた金属シートである。変形例の電極接続部材５８は、それを隣接した燃料電池セルスタック１の間に押し込むことによってそれらの間に且つ一方の端部１ａから他方の端部１ｂにわたって取付けられる。電極接続部材５８と燃料電池セルスタック１をより確実に接続するという観点から、電極接続部材５８と燃料電池セルスタック１との間に導電性接着剤や銀とガラスの混合体を介在させてもよい。

図１０に示すように、変形例の電極接続部材６０は、撓み可能な材料で形成されると共に、例えば、銀やランタンクロマイトやランタンコバルタイトなどで被覆された各種金属、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属のスポンジ状やフェルト状、ランタンクロマイトなどのセラミック多孔質材料で形成される。変形例の電極接続部材６０は、それを隣接した燃料電池セルスタック１の間に押し込むことによってそれらの間に且つ一方の端部１ａから他方の端部１ｂにわたって取付けられる。電極接続部材６０と燃料電池セルスタック１をより確実に接続するという観点から、電極接続部材６０と燃料電池セルスタック１との間に導電性接着剤や銀とガラスの混合体を介在させてもよい。

図１１は、燃料電池セルスタックユニットの変形例の電流の流れを示す概略図である。

図１１に示すように、変形例の燃料電池セルスタックユニット６２では、複数の第２の実施形態の燃料電池セルスタック３０と、１つの第３の実施形態の燃料電池セルスタック４０とが燃料ガスマニホールドの上に固定され、それらが変形例の電極接続部材５８によって電気的に直列に接続されている。具体的には、電極接続部材５８は、互いに隣接した一方の燃料電池セルスタック１の第１の直列接続セルグループ２４ｂの空気極端子２７ａと他方の燃料電池セルスタック１の第１の直列接続セルグループ２４ｂの燃料極端子２６ａとに押付けられ、接触している。また、電極接続部材５８は、互いに隣接した一方の燃料電池セルスタック１の第２の直列接続セルグループ２４ｃの燃料極端子２６ｂと他方の燃料電池セルスタック１の第２の直列接続セルグループ２４ｃの空気極端子２７ｂとに押付けられ、接触している。かくして、電流は、図１１に示す矢印Ａ２の経路で流れる。

この場合、燃料電池セルスタックユニット６２の燃料極端子２６ｕ及び空気極端子２７ｕはそれぞれ、第３の実施形態の燃料電池セルスタック４０から最も遠くに位置する第２の実施形態の燃料電池セルスタック３０の燃料極端子２６ａ及び空気極端子２７ｂになる。従って、燃料極端子２６ｕ及び空気極端子２７ｕへの配線作業が、燃料電池セルスタック３０の数に係わらず共通になるので、燃料電池セルスタック３０の組立てるとき及びその数を増減させるときの作業が容易になる。

次に、燃料電池セルスタックユニットの第２の実施形態を説明する。図１２は、本発明による燃料電池セルスタックユニットの第２の実施形態の斜視図である。

本発明の第２の実施形態である燃料電池セルスタックユニット７０は、燃料ガスマニホールド７２と、その側面７２ａ、７２ｂに配置された４個の燃料電池セルスタック７６とを有している。

燃料電池セルスタック７６は、上述した第１の実施形態の燃料電池セルスタック１の変形形態であり、平面部分１０ａ、１０ｃのそれぞれに配置した燃料電池セル４の個数が５つであること以外、燃料電池セルスタック１と同様の構造を有している。

燃料ガスマニホールド７２は、横長の直方体形状の密封箱であり、その内部に、燃料ガスが充填される燃料ガス空間７４を有している。燃料ガス空間７４は、各燃料電池セルスタック７６の孔８と燃料ガス空間７４とが連通している。燃料ガス空間７４には、燃料ガス供給管（図示せず）から燃料ガスが供給される。燃料ガス供給管（図示せず）は、改質ガス装置（図示せず）に接続されることが好ましい。

２つの燃料電池セルスタック７６は、その一方の平面部分１０ａとその他方の平面部分１０ｂとが対向するように、燃料ガスマニホールド７２の一方の側面７２ａにロウ付け又はガラスを用いて気密に固定されている。また、他の２つの燃料電池セルスタック７６は、その一方の平面部分１０ａと他方の平面部分１０ｂとが対向するように、燃料ガスマニホールド７２の他方の側面７２ｂにロウ付け又はガラスを用いて気密に固定されている。隣接した燃料電池セル７６は、上述した電極接続部材５８、６０（図示せず）を介して電気的に直列に接続されている。

燃料電池セルスタックユニット７０は、上下方向寸法が小さい燃料電池セルスタックの配置を可能にする。

次に、第１の実施形態の燃料電池セルスタックユニットを用いた燃料電池の一例を説明する。図１３は、本発明による燃料電池の第１の実施形態の概略的な正面図である。

図１３に示すように、本発明の第１の実施形態である燃料電池８０は、上述した燃料電池セルスタックユニット５０（図１３では、燃料電池セルスタック１の個数を６つに省略して示している。）と、それを収容するケース８１とを有している。燃料ガスＨは、ケース８１の外部からケース８１内に配置された改質器８２を通して燃料ガスマニホールド５２に供給され、燃料電池セルスタック１の内側を一方の端部１ａから他方の端部１ｂに向かって流れる。空気Ｏは、ケース９１の外部からケース９１内に設けられた通路９３、９４を通って、燃料電池セルスタック１の外側全体にわたって流れる。均一な電流分布を得るという観点から、空気は燃料電池セルスタック１の下方より送風し、燃料電池セルスタック１の管外を下方から上方に向かって流れることが好ましい。空気を燃料電池セルスタック１の下方より送風することで、燃料電池セルスタック１の下方を冷却する効果を得る。すなわち、燃料電池セルスタック１の下方に集中しやすい電流分布を、温度差により、燃料電池セルスタック１全体に行き渡らせることができるからである。かくして、燃料ガスＨと空気Ｏとは、燃料電池セルスタック１の他方の端部１ｂに隣接した燃焼領域８５で混合され且つ燃焼され、それによって生じた燃焼ガスＣは、ケース８１に設けられた通路９６を通って排出口９７から排出される。改質器９２は、燃料ガスＨと空気Ｏの燃焼によって生じた熱を利用するために、燃焼領域８５に配置されることが好ましい。

次に、第２の実施形態の燃料電池セルスタックユニットを用いた燃料電池の一例を説明する。図１４は、本発明による燃料電池の第２の実施形態の概略的な平面図である。

図１４に示すように、本発明の第２の実施形態である燃料電池９０は、上述した燃料電池セルスタックユニット７０（図１４では、燃料電池セルスタック７０の１つの平面部分１０ａに設けられた燃料電池セル４の個数を２つに省略して示している。）と、それを収容するケース９１とを有している。燃料ガスＨは、ケース９１の外部からケース９１内に配置された改質器９２を通して燃料ガスマニホールド７２に供給され、燃料電池セルスタック７６の内側を一方の端部１ａから他方の端部１ｂに向かって流れる。空気Ｏは、ケース９１の外部からケース９１内に配置された空気熱交換器９３を通して空気マニホールド９４に供給され、燃料電池セルスタック７６の外側全体にわたって流れる。燃料ガスＨと空気Ｏとは、燃料電池セルスタック７６の他方の端部１ｂに隣接した燃焼領域９５で混合され且つ燃焼され、それによって生じた燃焼ガスＣは、ケース９１に設けられた排出口９６から排出される。改質器９２及び空気熱交換器９３は、燃料ガスＨと空気Ｏの燃焼によって生じた熱を利用するために、燃焼領域９５に配置されることが好ましい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

上記実施形態では、燃料電池セル４の管状部分６の内側を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管状部分６の外側を流れるガスは、酸素を含む空気であったが、内側を流れるガスと外側を流れるガスを交換してもよい。

また、上記実施形態では、燃料電池セル４を断面が扁平状であったが、断面形状は任意であり、楕円状のフラットチューブ形であってもよい。

燃料電池セルスタック１に設けられる燃料電池セル４の形状及び個数は任意である。それに応じて、燃料電池セルスタック１は、管内ガス流れ方向Ｆを縦方向としてみたときに、縦長になってもよいし、横長になってもよい。縦長の場合には、電流を増加させたいとき、すなわち燃料電池セル４の面積を大きくするのに好適である。また、横長の場合には、電圧を増加させたいとき、すなわち燃料電池セル４の数を増やすときに好適である。

燃料電池スタックの第１の実施形態の概略的な斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩにおける図式的な断面図である。 燃料電池セルスタックの第２の実施形態の図２と同様の断面図である。 燃料電池セルスタックの第３の実施形態の図２と同様の断面図である。 燃料電池セルスタックユニット第１の実施形態の斜視図である。 電極接続部材を取付けた燃料電池セルスタックの斜視図である。 電極接続部材の斜視図である。 燃料電池セルスタックユニットの電気の流れを示す概略図である。 電極接続部材の変形例を示す斜視図である。 電極接続部材の変形例を示す斜視図である。 燃料電池セルスタックユニットの変形例の電気の流れを示す概略図である。 燃料電池セルスタックユニット第１の実施形態の斜視図である。 燃料電池の第１の実施形態の概略的な正面図である。 燃料電池の第２の実施形態の概略的な平面図である。 従来技術の燃料電池セルスタックの斜視図である。

符号の説明

１、３０、４０ 燃料電池セルスタック
１ａ 一方の端部
１ｂ 他方の端部
２ 基体
４、４ａ〜４ｄ 燃料電池セル
６ 管状部分
１０ａ、１０ｃ 平面部分
１０ｂ、１０ｄ 接続面部分
１２ａ〜１２ｄ 燃料極
１４（１４ａ〜１４ｄ） 電解質
１６ａ〜１６ｄ 空気極
１８ａ〜１８ｄ 集電層
２０ａ〜２０ｄ インターコネクタ
２２、２３ 延長集電層
２４ａ〜２４ｄ 直列接続セルグループ
５０、７０ 燃料電池セルスタックユニット
５２、７２ 燃料ガスマニホールド
８０、９０ 燃料電池
８１、９１ ケース

Claims (7)

1. 絶縁性で多孔質の基体と、前記基体の周囲を管状に覆い、且つ互いに電気的に直列に接続された複数の燃料電池セルを含むように前記基体の上に積層された管状部分とを有する燃料電池セルスタックであって、
   空気及び燃料ガスの一方が、前記管状部分の内側に位置する前記基体の中を一方の端部から他方の端部に流され、空気及び燃料ガスの他方が前記管状部分の外側に流され、
   各燃料電池セルは、前記一方の端部から前記他方の端部まで延びる形態を有し、
   複数の燃料電池セルは、前記管状部分の周方向に１列に配列されることを特徴とする燃料電池セルスタック。
2. 前記管状部分が積層された前記基体の周面は、互いに反対側に位置する２つの平面部分と、それらを互いに連結し且つ互いに反対側に位置する２つの接続面部分とを有し、
   前記複数の燃料電池セルは、前記平面部分に形成され、
   前記管状部分は、更に、一方の平面部分に形成された燃料電池セルと他方の平面部分に形成された燃料電池セルを電気的に直列に接続するために前記接続面部分に積層された延長集電層を有し、前記延長集電層と前記一方の平面部分の燃料電池セル及び前記他方の平面部分の燃料電池セルとは、前記一方の端部から前記他方の端部にわたって接続され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。
3. 前記燃料電池セルスタックは、一方の接続面部分に積層された前記延長集電層によって直列に接続された燃料電池セルを含むように直列に接続された一連の燃料電池セルから構成される単一の直列接続セルグループを有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。
4. 一方の接続面部分に積層された前記延長集電層によって直列に接続された燃料電池セルを含むように直列に接続された一連の燃料電池セルから構成される第１の直列接続セルグループと、他方の接続面部分に積層された前記延長集電層によって直列に接続された燃料電池セルを含むように直列に接続された一連の燃料電池セルから構成される第２の直列接続セルグループと、を有し、
   第１の直列接続セルグループ及び第２の直列接続セルグループは互いに絶縁され、且つ、それぞれの燃料極端子及び空気極端子を有し、
   第１の直列接続セルグループの燃料極端子と第２の直列接続セルグループの空気極端子が一方の平面部分に配置され、第１の直列接続セルグループの空気極端子と第２の直列接続セルグループの燃料極端子が他方の平面部分に配置され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。
5. 各燃料電池セルは、平面形態の燃料極及び空気極を有し、各燃料電池セルの燃料極及び空気極の面積がそれぞれ等しいことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池セルスタック。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の複数の燃料電池セルスタックと、それらが取付けられたマニホールドと、を有することを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。
7. 請求項１〜５の何れか１項に記載の複数の燃料電池セルスタックと、それらを収容したケースと、を有することを特徴とする燃料電池。

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