JP2009230855A - 燃料電池モジュール、及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 高効率な発電性能を得ることができる燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】 燃料電池モジュールＦＣは、複数の燃料電池セル２を有する燃料電池セル集合体２１と、燃料電池セル集合体２１を収容する容器８と、燃料電池セル集合体２１で発電される電力を容器８の内部から外部へ取り出す集電ロッド５と、燃料電池セル集合体２１及び集電ロッド５を電気的に接続する集合体集電部材４を、を備える固体酸化物形燃料電池モジュールであって、集合体集電部材４は、燃料電池セル集合体２１側から集電ロッド５側に向かうに従い側辺が内側に傾斜することを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池セルを有する燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池に関する。

セラミックス材料を燃料電池セルに用いる固体酸化物形燃料電池は、動作温度が７００〜１０００℃と高く、発電する際に出る排熱が利用できるので、高効率な発電システムとして開発が進んでいる。このような固体酸化物形燃料電池に用いられる固体酸化物形燃料電池モジュールは、通常、複数の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体が金属製の容器に収容されており、容器内において燃料電池セル集合体の電力を集電する板状の集電部材と、この集電部材から容器の外部に電力を取り出す集電ロッドを備えている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００７−１４１７６５号公報 特開２００４−２８８５４２号公報

上述のような筒状の燃料電池セルを用いる燃料電池モジュールにおいては、図１０に示すように、燃料電池セルの長尺方向において中央部分と両端部分とで発電性能に差が現れ電流分布が生じる。このため、燃料電池セルの発電性能に合わせて電流の取り出しをしないと、電流分布が乱れてジュール熱による発熱の割合が増加し、結果的に燃料電池セルの発電性能が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、高効率な発電性能を得ることができる燃料電池モジュール、及びその燃料電池モジュールを備える燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルが電気的に繋げられて形成されている燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックを収容するための容器と、前記燃料電池セルにおいて発生した電力を前記容器の外部へ取り出すための第一集電部材と、前記燃料電池セルスタックと前記第一集電部材とを繋ぐものであって、前記燃料電池セルの長手方向に渡って前記燃料電池セルスタックと接続している第二集電部材と、を備える燃料電池モジュールであって、前記第二集電部材は、電気抵抗の小さい第一部分と、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向において前記第一部分よりも外側に形成され、前記第一部分よりも電気抵抗の大きい第二部分と、を有する。

本発明によれば、高効率な発電性能を得ることができる燃料電池モジュール、及びそれを備える燃料電池を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルが電気的に繋げられて形成されている燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックを収容するための容器と、前記燃料電池セルにおいて発生した電力を前記容器の外部へ取り出すための第一集電部材と、前記燃料電池セルスタックと前記第一集電部材とを繋ぐものであって、前記燃料電池セルの長手方向に渡って前記燃料電池セルスタックと接続している第二集電部材と、を備える燃料電池モジュールであって、前記第二集電部材は、電気抵抗の小さい第一部分と、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向において前記第一部分よりも外側に形成され、前記第一部分よりも電気抵抗の大きい第二部分と、を有する。

本発明によれば、燃料電池セルスタックと第一集電部材とを繋ぐ第二集電部材は、電気抵抗の異なる第一部分と第二部分とを有している。その第一部分と第二部分とは、燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向と直交する方向において、第一部分よりも第二部分が外側に形成されている。外側に形成されている第二部分は第一部分よりも電気抵抗が大きいので、第二集電部材全体として見れば、燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向と直交する方向においては外側の電気抵抗が大きくなるように形成されている。従って、長手方向において発電性能に分布を有する燃料電池セルから電力を取り出すにあたって、発電性能の比較的低い外側からは取り出す電力量を比較的少なく、発電性能の比較的高い内側からは取り出す電力量を比較的多くすることができる。結果として、燃料電池セルスタック内部における電流乱れを抑制することができ、抵抗損失による発熱量を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第二集電部材は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向において、中央部分から周辺部分に向かうに従って電気抵抗が大きくなるように形成されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、第二集電部材は、燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向と直交する方向において、中央部分から周辺部分に向かうに従って電気抵抗が大きくなるように形成されているので、電気抵抗特性を連続的に変化させることができる。従って、長手方向において発電性能に分布を有する燃料電池セルのその分布特性が連続的に変化する場合であっても、その連続的な変化に対応することができる。結果として、燃料電池セルスタック内部における電流乱れをより確実に抑制することができ、抵抗損失による発熱量をより確実に抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第二集電部材は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かって、当該向かう方向と直交する方向の幅が小さくなるように形成されていることも好ましい。

この好ましい態様によれば、第二集電部材の形態を、燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向と直交する方向の幅が小さくなるように形成しているので、その向かう方向と直交する方向において外側の部分ほど、燃料電池セルスタックから第一集電部材に近づくに従って徐々に断面積が減少する。従って、第二集電部材の材料的な特性を変化させることなく、形態的な変化のみによって電気抵抗を簡便に増加させることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第二集電部材には、厚み方向に貫通する複数の貫通部分が形成されていることも好ましい。この好ましい態様によれば、第二集電部材の所望の位置に厚み方向に貫通する貫通部分を形成することができるので、第二集電部材の燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向及びその方向に直交する方向における電気的な特性を調整することが容易に可能となる。例えば、燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向と直交する方向において、内側よりも外側に開口面積の大きな貫通部分を配置することで、外側の断面積を減少させて電気抵抗を簡便に増加させることができる。更に、第二集電部材に貫通部分を形成することで、第二集電部材の剛性を調整することができるので、例えば、第二集電部材を屈曲させて容器内に収容する場合を考慮して可撓性を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記複数の貫通部分は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向に沿ってスリット状に形成されていることも好ましい。この好ましい態様によれば、第二集電部材には複数の貫通部分がスリット状に形成されるので、そのスリット状の貫通部分の幅や長さを調整することで、第二集電部材の燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向及びその方向に直交する方向における電気的な特性を調整することが容易に可能となる。例えば、燃料電池セルスタックから第一集電部材に向かう方向と直交する方向において、内側よりも外側に幅の大きいスリット状の貫通部分を配置することで、外側の断面積を減少させて電気抵抗を簡便に増加させることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一集電部材は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向の中央部分において前記第二集電部材と繋がれており、その繋がれている部分から前記側壁の容器を貫通して外部へと延出していることも好ましい。この好ましい態様によれば、燃料電池セルの長尺方向の発電性能に応じて最短距離で、第一集電部材により電力の取り出しを行うことができるため、第一集電部材及び第二集電部材による集電ロスをより少なく効率良く電力を取り出すことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第一集電部材は、前記燃料電池セルスタックを挟んで対称となる位置に一対設けられていることも好ましい。この好ましい態様によれば、燃料ガスが不規則に偏流して燃料セル集合体の発電反応のバランスを乱すことを抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。燃料電池モジュールＦＣは、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。

燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池セル２と、スタック間集電部材３と、集合体集電部材４と、集電ロッド５と、空気ヘッダ６と、空気供給管７と、モジュール容器８（容器）と、絶縁断熱部材９と、断熱部材１０とを備えている。

燃料電池セル２は、２列×６列の１２本ごとに燃料電池セルスタック（図１において明示しない）として構成され、モジュール容器８内に収められている。各燃料電池セル２は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。燃料電池セル２の内壁すなわち空気極に空気、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ^２−イオンが移動して電気化学反応が起こり空気極と燃料極との間に電位差が生じで発電が行われる。燃料電池セル２が発電した電気は、スタック間集電部材３，集合体集電部材４（第二集電部材）によって集電され、集電ロッド５（第一集電部材）によって外部に取出される。

各燃料電池セル２に供給される空気は、空気供給管７を通って空気ヘッダ６に供給された空気が分配されて供給される。本実施形態の場合空気ヘッダ６は３つ設けられており、それぞれの空気ヘッダ６に空気供給管７が繋がれている。空気供給管７の上流側は空気の供給元に連結されている。

空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割を果たすと共に、各燃料電池セル２に空気を分配する役割も果たしている。空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給する空気の流路を燃料電池セル２の数に応じて複数の系統に分配するためのものでもあるので、燃料電池セル２の数に応じてその配置数量が増減される。

各燃料電池セル２に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル２の下方から供給される（詳細は後述する）。

燃料電池セル２、スタック間集電部材３、集合体集電部材４、及び空気ヘッダ６は、直方体形状のモジュール容器８に収容されている。このモジュール容器８は、運転時に高温になることから、例えば、インコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成されている。また、燃料ガスや空気を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器８の内側には、燃料電池セル２とモジュール容器８とを絶縁すると共に、モジュール容器８内部を保温するための絶縁断熱部材９が設けられている。絶縁断熱部材９は、アルミナ繊維等で形成されている。モジュール容器８は更に、動作温度を安定に保つためにその全体が断熱部材１０で覆われている。

続いて、図２を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様について説明する。図２は、図１において空気ヘッダ６側から燃料電池セル２側を見通す方向における横断面図である。燃料電池セル集合体２１は、複数の燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、１２本の燃料電池セル２を有し、それぞれの燃料電池セル２は、２列（図中ｘ方向）×６列（図中ｙ方向）に配置されている。

各燃料電池セル２は有底円筒状であって、その開口部２ａを空気ヘッダ６側に向けて配置されている。各燃料電池セル２は、セル間集電部材１３及び導電性のセル接続部材１４を介して、電気的に２並列×６直列に接続されている。なお、燃料電池セル２は、発電容量等に応じて本数や配列が適宜選択される。

各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、所定の間隔を置いて３列（図中ｘ方向）に配置されており、３６本の燃料電池セル２を有する燃料電池セル集合体２１を構成している。それぞれの燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、スタック間集電部材３を介して電気的に直列に接続されている。このように直列接続された燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの両端に配置される燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃの端部には、集合体集電部材４が繋がれている。集合体集電部材４は集電ロッド５に繋がれているので、集電ロッド５を介して外部に電力が取り出すことができる。集電ロッド５は、燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを挟んで、対象となる位置に一対設けられている。また、集電ロッド５は、モジュール容器８の側壁を貫通して外部へと延出している。

各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ、燃料電池セル２が６列に並べられている一対の側面に接するように絶縁板１６が配置されている。更に、隣接する絶縁板１６の間には熱伝導板１５が配置されている。燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃと絶縁断熱部材９との間にも熱伝導板１５が配置されている。熱伝導板１５とスタック間集電部材３及び集合体集電部材４との間には、絶縁棒１１が配置されている。

このように熱伝導板１５が配置されることで、局部的に燃料電池セル２の温度が部分的に高くなっても、熱伝導板１５を介して高温部分から低温部分へ熱が移動しやすくなり、燃料電池セル２の温度分布を均一化させることができる。

また、上述したように絶縁板１６及び絶縁棒１１が配置されることで、熱伝導板１５と燃料電池セル２との間の電気絶縁性、及び熱伝導板１５とスタック間集電部材３及び集合体集電部材４との間の電気絶縁性が確保される。

続いて、図３を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様と燃料ガス及び空気の供給態様について説明する。図３は、燃料電池モジュールＦＣの縦断面図であって、モジュール容器８の内部を示す図である。

図３に示すように、モジュール容器８の下方には、モジュール容器８内に導入する燃料ガスを均一に分散するための燃料ガス分散室１７が配置されている。この燃料ガス分散室１７内には、燃料ガスを予備分散する予備分散板１８が配置されている。この予備分散板１８は、例えばアルミナからなり、燃料ガス通気孔１９が一様に形成されている。また、予備分散板１８の上方には、例えばＮｉフォームからなる燃料ガス分散材２０が配置されている。燃料ガス分散室１７の上流側（図中下側）には、燃料ガス供給管２２が設けられ、この燃料ガス供給管２２の上流側は燃料ガスの供給元に連結されている。また、モジュール容器８と燃料ガス分散室１７との間には、燃料ガスを燃料ガス分散室１７からモジュール容器８に通気させるための燃料ガス分散板２３が設けられている。この燃料ガス分散板２３には、複数の燃料ガス供給孔２４が形成されている。

また、燃料電池セル集合体２１の上方に配置される空気ヘッダ６には、燃料電池セル２の空気極に空気を導入する複数の空気導入管２５が連結されている。この空気導入管２５は、燃料電池セル２の管内に挿入され、その下端部は燃料電池セル２の底面付近まで延びている。

また、モジュール容器８内には、燃料電池セル２の長尺方向に対して垂直方向に沿って形成される矩形状の仕切板２６が設けられている。この仕切板２６は、アルミナ繊維を積層してブランケット状に形成したものが用いられている。モジュール容器８内において、この仕切板２６で仕切られた上側に燃焼室２７が形成され、下側に発電室２８が形成される。ここで、燃焼室２７は、発電室２８で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル２の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための空間である。発電室２８は、燃料ガス供給孔２４から導入される燃料ガスを各燃料電池セル２に接触させ、各燃料電池セル２の管内に流れる空気との電気化学反応を生じさせて発電させるための空間である。

また、仕切板２６には、排燃料ガスを発電室２８から燃焼室２７に排出するための、例えばアルミナからなる筒状の燃料ガス排出管２９が複数挿通されている。

また、モジュール容器８を覆う断熱部材１０は、金属製の外側容器３２に覆われている。集電ロッド５は、燃料電池セル集合体２１を挟んで一対設けられている。集電ロッド５は、その一端が絶縁断熱部材９の内側に設けられる集合体集電部材４に接続されており、絶縁断熱部材９、モジュール容器８及び外側容器３２を貫通して、その他端が外側に引き出されている。

続いて、図４を参照して集合体集電部材４についてさらに詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの集合体集電部材４を示す概略図である。図４においては、燃料電池セルスタック２１ａと集電ロッド５とを繋ぐ集合体集電部材４を例示している。

図４に示すように、集合体集電部材４は、例えばニッケルなどからなる薄板状の金属部材である。集合体集電部材４は、セル集合体接続部４ａと、集電ロッド接続部４ｂと、連結部４ｃとを有している。

セル集合体接続部４ａは、燃料電池セルスタック２１ａを構成する燃料電池セル２の長手方向（図中ｙ方向）に延びる長方形をなし、燃料電池セル集合体２１の端部に燃料電池セル２の長手方向に離間して設けられるセル接続部材１４に接続されている。

集電ロッド接続部４ｂは、集電ロッド５と繋がれる部分であって、燃料電池セル２の長手方向と直交する方向（図中ｘ方向）にセル集合体接続部４ａとは離隔して設けられている。集電ロッド接続部４ｂは、図中ｙ方向においてセル集合体接続部４ａよりも短くなるように略台形状に形成されている。集電ロッド接続部４ｂは、図中ｙ方向における略中央部分において集電ロッド５と繋がれている。また、集電ロッド接続部４ｂは、図中ｙ方向において、セル集合体接続部４ａの略中央付近に相当する位置に形成されている。

連結部４ｃは、セル集合体接続部４ａと集電ロッド接続部４ｂとを連結する部分である。連結部４ｃは全体として台形形状を成しており、セル集合体接続部４ａの長手方向（図中ｙ方向）には下底に相当する部分が繋がっており、集電ロッド接続部４ｂには上底に相当する部分が繋がっている。従って、連結部４ｃは、セル集合体接続部４ａと繋がる部分から集電ロッド接続部４ｂに繋がる部分に向けて徐々に幅が狭まるように構成されている。

集合体集電部材４には、スリット４ｄ（貫通部分）、スリット４ｅ（貫通部分）、スリット４ｆ（貫通部分）が形成されている。スリット４ｄは、セル集合体接続部４ａに設けられており、セル集合体接続部４ａの厚み方向に貫通するように形成されている。スリット４ｄは、セル接続部材１４と接触しない位置に形成されている。

スリット４ｅ，４ｆは、連結部４ｃに形成されている。スリット４ｅは、セル集合体接続部４ａから、燃料電池セル２の長手方向と直交する方向（図中ｘ方向）に向かい、集電ロッド接続部４ｂに至る領域４ｇ（本発明の第一部分に相当する）に形成されている。スリット４ｅは、図中ｘ方向と平行に矩形状のスリットとして２本形成されている。

スリット４ｆは、セル集合体接続部４ａから集電ロッド接続部４ｂに向かう方向に沿って、領域４ｇを挟んだ領域４ｈ（本発明の第二部分に相当する）に形成されている。スリット４ｆは、セル集合体接続部４ａから集電ロッド接続部４ｂに向かって幅が狭くなるように三角形状のスリットとして２本ずつ形成されている。

これらのスリット４ｅ，４ｆにより集合体集電部材４の可撓性を向上させることができる。また、発電前の施工または発電時における温度分布、材料の熱膨張などにより、各部位に寸法差が生じても、燃料電池セル２と集合体集電部材４との接続不良を低減させることができる。

次に、図５を参照して燃料電池モジュールＦＣ内の集合体集電部材４の配置について説明する。図５は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの部分分解図である。図５に示すように、集合体集電部材４は、セル集合体接続部４ａが、燃料電池集合体の端部に接続され、絶縁断熱部材９を挟んで連結部４ｃが折り返されている。そして、連結部４ｃ及び連結部４ｃの先端に設けられる集電ロッド接続部４ｂは、さらに絶縁断熱部材９に覆われており、集電ロッド接続部４ｂには、絶縁断熱部材９を貫通して設けられる集電ロッド５の端部が接続されている。集合体集電部材４は、集電ロッド接続部４ｂが、燃料電池セル２の長手方向における中央部付近に配置され、集電ロッド５は、集電ロッド接続部４ｂからモジュール容器８の側壁を貫通してモジュール容器８外に設けられる。これにより、燃料電池セル２の長尺方向の発電性能に応じて最短距離で集合体集電部材４により電力の取り出しを行うことができるため、集合体集電部材４や集電ロッド５による集電ロスをより少なく効率良く電力を取り出すことができる。なお、集電ロッド５及び集電ロッド接続部４ｂの接続は、ねじ止めや溶接などを用いることができる。

続いて、図６及び図７を参照して、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの発電性能について説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの発電性能を模式的に示す図である。図７は、従来の燃料電池モジュールの発電性能を模式的に示す図である。なお、図７に示す従来の燃料電池モジュールＦＣ１は、矩形状の集電体集電部材４１が用いられている。

本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの集合体集電部材４は、上述した形態を成しており、燃料電池セル集合体２１ａ側から集電ロッド５側に向かうに従い側辺が内側に傾斜していることから、集合体集電部材４の電気抵抗は、燃料電池セル２の長尺方向における中央部分から開口端及び封止端に向けて大きくなっている。一方、従来の燃料電池モジュールＦＣ１の集合体集電部材４１は、矩形状を成しており、その電気抵抗は燃料電池セル２の長手方向において一様である。そのため、図６及び図７に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの発電特性は、従来の燃料電池モジュールＦＣ１の発電特性に比べて、燃料電池セル２の中央部分と開口端及び封止端との間の発電性能の差が小さくなることから良好なものとなる。

また、集合体集電部材の変形例として２層構造としても良い。図８は、集合体集電部材の変形例を示す。

図８に示すように、集合体集電部材４０は、二つの集合体集電部材４が、セル集合体接続部４ａ側の端部を中心軸Ｌとして対称に配置された構成となっている。この集合体集電部材４０は、中心軸Ｌで折り曲げて、２層構造の集合体集電部材として使用される。２層構造とすることで、１層当たりの厚みを薄くすることができるので、集合体集電部材４０の可とう性を良好にできる。そのため、発電前の施工または発電時における温度分布、材料の熱膨張などにより、各部位に寸法差が生じても、燃料電池セル２と集合体集電部材４０との接続不良を低減させることができる。

集合体集電部材４０をニッケル板で形成する場合、厚さ０．１〜１．０ｍｍの範囲の板を折り曲げて形成することが好ましく、より好ましい下限は０．２ｍｍであり、また、より好ましい上限は０．６ｍｍである。上記範囲の厚さの集合体集電部材４０はより良好な可とう性を得ることができる。

続いて、図９を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図９は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図９に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管２２へと送り出される。

空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管７へと送り出される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、集電ロッド（図示しない）と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。

このように構成された燃料電池ＦＣＳの動作について説明する。発電室２８を電気化学反応が生じる温度（７００〜１０００℃）に昇温する。空気供給部ＡＰから空気を空気供給管７に供給し、空気ヘッダ６内に貯留する。貯留された空気は、複数の空気導入管２５内を下方に流れ、下端から燃料電池セル２の筒内に流出する。流出した空気は、燃料電池セル２の筒内を上方に流れる。このとき、空気は、空気極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった空気は、燃料電池セル２の開口部２ａから燃焼室２７に達する。

また、燃料供給部ＦＰから燃料ガスを燃料ガス供給管２２に供給し、燃料ガス分散室１７内に貯留する。貯留された燃料ガスは、燃料ガス分散板２３に形成された複数の燃料ガス供給孔２４から発電室２８内に導入され、発電室２８内を各燃料電池セル２を包囲しながら上方に流れる。このとき、燃料ガスは、燃料極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった燃料ガスは、仕切板２６の燃料ガス排出管２９を通って燃焼室２７に達する。

燃焼室２７に達した排燃料ガスと排空気とは、所定の点火装置を用いて燃焼され排出ガスが、モジュール容器８の上壁に連結された排ガス管から燃焼室２７の外に排出される。この排出ガスは高温となるために、発電室２８を加熱するための熱源として利用される。

発電室２８で電気化学反応によって、発電された電力は、電力取出部ＥＰにより燃料電池セル集合体の集電部材、電極ロッドを介して外部に取り出される。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを部分的に破断した概略的な斜視図である。 図１において空気ヘッダ側から燃料電池セル側を見通す方向における横断面図である。 燃料電池モジュールの縦断面図である。縦断面図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの集合体集電部材を示す概略図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの部分分解図を示す。 本実施形態に係る燃料電池モジュールの発電性能を模式的に示す図である。 従来の燃料電池モジュールの発電性能を模式的に示す図である。 集合体集電部材の変形例を示す図である。 燃料電池の構成を示すブロック図である。 燃料電池セルの発電性能を模式的に示す図である。

符号の説明

２…燃料電池セル、３…スタック間集電部材、４、４０，４１…集合体集電部材、４ａ…セル集合体接続部、４ｂ…集電ロッド接続部、４ｃ…連結部、４ｄ…スリット、５…集電ロッド、６…空気ヘッダ、７…空気供給管、８…モジュール容器、９…絶縁断熱部材、１０…断熱部材、１３…セル間集電部材、１４…セル接続部材、２１…燃料電池セル集合体、３２…外側容器、ＦＣ…燃料電池モジュール、ＦＣＳ…燃料電池。

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより作動する複数の燃料電池セルが電気的に繋げられて形成されている燃料電池セルスタックと、
   前記燃料電池セルスタックを収容するための容器と、
   前記燃料電池セルにおいて発生した電力を前記容器の外部へ取り出すための第一集電部材と、
   前記燃料電池セルスタックと前記第一集電部材とを繋ぐものであって、前記燃料電池セルの長手方向に渡って前記燃料電池セルスタックと接続している第二集電部材と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記第二集電部材は、電気抵抗の小さい第一部分と、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向において前記第一部分よりも外側に形成され、前記第一部分よりも電気抵抗の大きい第二部分と、を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記第二集電部材は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向において、中央部分から周辺部分に向かうに従って電気抵抗が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記第二集電部材は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かって、当該向かう方向と直交する方向の幅が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記第二集電部材には、厚み方向に貫通する複数の貫通部分が形成されている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モジュール。
5. 前記複数の貫通部分は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向に沿ってスリット状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記第一集電部材は、前記燃料電池セルスタックから前記第一集電部材に向かう方向と直交する方向の中央部分において前記第二集電部材と繋がれており、その繋がれている部分から前記側壁の容器を貫通して外部へと延出していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記第一集電部材は、前記燃料電池セルスタックを挟んで対称となる位置に一対設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールを備える燃料電池。

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