JP2009283236A

JP2009283236A - 燃料電池モジュール、及び燃料電池

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Publication number: JP2009283236A
Application number: JP2008133099A
Authority: JP
Inventors: Kosaku Fujinaga; 幸作藤永
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: JP5305130B2

Abstract

【課題】ガスクロスの発生を極力低減することができ、発電性能を良好に保つ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】この燃料電池モジュールＦＣＭ１は、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルＦＣ１を容器内に複数配置し、当該複数配置された燃料電池セルＦＣ１の下端から上端に向けて、各燃料電池セルの内側は第１ガスを通し、各燃料電池セルの外側は第２ガスを通して発電反応を起こさせるものであって、容器を、燃料電池セルＦＣ１に発電反応を起こさせる発電室と、燃料電池セルＦＣ１において発電反応に寄与しなかった残余の第１ガス及び残余の第２ガスが発電室から流入する排ガス室とに仕切る仕切部であるシール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２を備える。
【選択図】図２

Description

本発明の態様は、一般に、燃料電池モジュール、及び燃料電池に関する。

電解質を挟んで空気極と燃料極とが配置されている燃料電池セルを複数個備えた燃料電池モジュールや、その燃料電池モジュールを駆動可能なように構成した燃料電池としては、下記特許文献１に記載のものを一例として、様々な態様のものが提案されている。このような燃料電池では、燃料電池セルの空気極側に酸化剤ガスとしての空気を供給し、燃料極側に燃料ガスを供給して発電反応を起こさせるものである。その一例として、燃料電池セルを円筒状に形成して、その円筒状の内外に空気極と燃料極とを形成したものがある（例えば、下記特許文献１参照）。
特許第２９６５２７２号公報特開２００６−６６３８７号公報

燃料電池セルが円筒形状を成すか否かを問わず、燃料電池セルの内外にそれぞれ酸化剤ガスと燃料ガスとを分けて供給して発電反応を起こさせる燃料電池の場合、発電反応に寄与しなかった残余の酸化剤ガス（以下、酸化剤オフガスともいう）と残余の燃料ガス（以下、燃料オフガスともいう）とが発生する。これら酸化剤オフガスや燃料オフガスは、燃料電池セルが発電反応を行っている領域に逆流することは好ましくない場合もあり、その場合は、発電反応を行っている領域と酸化剤オフガス及び燃料オフガスを回収する領域とを何らかのシール部材（例えば、セラミック繊維からなるシート等）で仕切ることが行われる。より具体的には、各燃料電池セルの側面とシール部材とを接触させて、発電反応を行っている領域と酸化剤オフガス及び燃料オフガスを回収する領域とを分離させている。

ところで、燃料電池セルは、いかなる態様のものであれ、酸化剤ガスや燃料ガスが流れる軸方向において、反りや歪みなどが発生することは避けられないものである。このような反りや歪みが、燃料電池セルとシール部材との接触状態に影響を与え、場合によっては隙間が生じることもある。また、燃料電池を運転した場合に、その負荷変動や起動停止等による熱サイクルによって、燃料電池セルの軸方向に沿った膨張や収縮が発生し、それによって燃料電池セルとシール部材とが擦り合う状態となってしまい、この擦り合う状態が燃料電池セルとシール部材との接触状態に影響を与え、場合によっては隙間が生じることもある。このように、燃料電池セルとシール部材との間に隙間が生じれば、酸化剤オフガスや燃料オフガスがこの隙間が生じた部分で部分的に拡散して燃焼してしまい、燃焼ガスが発電反応を行っている領域に逆流してガスクロスを起こしてしまうことも想定される。このようなガスクロスが発生すると、燃料電池セルを構成する燃料極の部分や集電部分が、酸化還元による熱膨張や熱収縮で劣化する恐れがある。また、発電反応を行う領域内部の温度偏在やガス偏流が拡大してしまい、燃料電池の発電性能がその内部においてばらついてしまうことも想定される。

そこで、本発明では、燃料電池セルの発電反応を行う領域と他の領域とを分離してなる燃料電池モジュールであって、ガスクロスの発生を極力低減することができ、発電性能を良好に保つ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。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルを容器内に複数配置し、当該複数配置された燃料電池セルの下端から上端に向けて、各燃料電池セルの内側は前記第１ガスを通し、各燃料電池セルの外側は前記第２ガスを通して発電反応を起こさせる燃料電池モジュールであって、前記容器を、前記燃料電池セルに発電反応を起こさせる発電室と、前記燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の第１ガス及び残余の第２ガスが前記発電室から流入する排ガス室とに仕切る仕切部を備え、前記仕切部はシール部分を有しており、前記各燃料電池セルの上端面と前記シール部分とが面で密着するように、前記シール部分が圧縮されてなることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルの発電反応を行う領域と他の領域とを分離してなる燃料電池モジュールであって、ガスクロスの発生を極力低減することができ、発電性能を良好に保つことができる燃料電池モジュール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、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルを容器内に複数配置し、当該複数配置された燃料電池セルの下端から上端に向けて、各燃料電池セルの内側は前記第１ガスを通し、各燃料電池セルの外側は前記第２ガスを通して発電反応を起こさせる燃料電池モジュールであって、前記容器を、前記燃料電池セルに発電反応を起こさせる発電室と、前記燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の第１ガス及び残余の第２ガスが前記発電室から流入する排ガス室とに仕切る仕切部を備え、前記仕切部はシール部分を有しており、前記各燃料電池セルの上端面と前記シール部分とが面で密着するように、前記シール部分が圧縮されてなることを特徴とする。

本発明によれば、発電室と排ガス室とを仕切る仕切部が有するシール部分が、各燃料電池セルの上端面に面状に密着するように圧縮されているので、燃料電池セルに反りや歪みが発生したとしても、シール部分が各燃料電池セルの上端面に追従し、仕切部と各燃料電池セルとの間に隙間が生じるのを防止できる。また、燃料電池を運転した場合であって、燃料電池セルの軸方向に沿った膨張や収縮が発生した場合であっても、シール部分が燃料電池セルの変形に追従するので隙間が生じることがない。より具体的には、シール部分が燃料電池セルの端面と面的に密着するように圧縮され、換言すれば押し付けられて密着されているので、その圧縮されたストロークの範囲内の収縮が起きたとしてもシール部分と燃料電池セル端面との密着は確保される。また、シール部分は圧縮されて燃料電池セルの端面と密着するような柔軟性を持っているので、燃料電池セルが膨張してもシール部分と燃料電池セル端面との密着は確保される。また、燃料電池セルは、その軸方向と直交する方向においては、軸方向におけるよりも膨張や収縮の変形量が少ない。本発明の場合、シール部分と燃料電池セルとが燃料電池セルの端面において密着していることから、燃料電池セルの変形量が少ない方向において接触していることになり、温度変化により各部の劣化を最小限に抑えることができる。その結果、燃料電池セルとシール部分との間に隙間が生じることを防止することができ、酸化剤オフガスと燃料オフガスとを良好に分離できる。従って、ガスクロスの発生を極力低減することができ、発電性能を良好に保つことができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記仕切部が、前記シール部分を含むシール部材と、前記シール部材を挟んで前記各燃料電池セルとは反対側に設けられる固定部材とを有しており、前記シール部材が前記各燃料電池セルの上端面と前記固定部材とによって挟み込まれることで、前記シール部分が圧縮され、前記各燃料電池セルの上端面と面で密着することも好ましい。

この好ましい態様では、シール部分を含むシール部材が、燃料電池セルの上端面と固定部材とによって挟み込まれ、その結果として燃料電池セルの上端面と面で密着しているので、より確実に燃料電池セルとシール部分との密着性を確保することができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記各燃料電池セルの上端面に繋がる側面に沿って配置される側シール部材と、前記側シール部材を挟んで前記固定部材とは反対側に設けられ、前記各燃料電池セルとは絶縁された状態で配置される側固定部材と、を備え、前記側シール部材は、前記固定部材と前記側固定部材とによって挟み込まれることで圧縮されることも好ましい。

この好ましい態様では、シール部材及び側シール部材は、固定部材と側固定部材とによって挟み込まれており、固定部材及び側固定部材とは燃料電池セルの軸方向に交わる平面に沿って接している。従って、燃料電池セルの変形量が少ない方向において接触していることになり、温度変化により各部の劣化を最小限に抑えることができる。また、側シール部材は、固定部材と側固定部材とによって挟み込まれることで圧縮されるので、燃料電池セルの側面に近接し、接触する。従って、側シール部材が配置された部分において、シール部材に向かうオフガスが低減され、シール部材の劣化を抑制できる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記固定部材は、金属又はセラミックスによって形成されていることも好ましい。また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記側固定部材は、金属又はセラミックスによって形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、固定部材及び側固定部材の少なくとも一方を、金属又はセラミックスによって形成しているので、緻密な構成とすることができ、ガスクロスの発生をより効果的に抑制することができる。例えば、固定部材の上方で燃料オフガスと酸化剤オフガスとが拡散して燃焼し、体積膨張による燃焼圧の変動を生じたとしても、その燃焼部分がモジュールの容器と固定部材や側固定部材によって緻密に覆われており、オフガスが通過する排出口は発電室の内圧で部分的に加圧され、また排ガス室から排出される排出側の圧力は発電室より低い大気圧で構成されるので、燃焼ガスの発電室への逆流を効果的に抑制できる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記シール部材は、絶縁性材料によって形成されてなるセラミック繊維シートであることも好ましい。また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記側シール部材は、絶縁性材料によって形成されてなるセラミック繊維シートであることも好ましい。

この好ましい態様では、シール部材及び側シール部材の少なくとも一方を、アルミナ、ムライト、マグネシアといったセラミック繊維シートで形成しているので、良好な弾性力を確保することができ、燃料電池セルとの密着を良好なものとすることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記燃料電池セルの上端面が絶縁性材料によって形成されており、前記シール部材は金属フェルトによって形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、燃料電池セルの上端面が、アルミナやマグネシアといった絶縁性材料で形成されているので、その上端面と接触するシール部材は弾性や強度に優れる金属フェルトを用いることができる。その結果、より良好な弾性力を確保することができ、燃料電池セルとの密着をより良好なものとすることができる。

また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記固定部材から前記燃料電池モジュールの外側へと繋がる流路であって、前記残余の第１ガス及び前記残余の第２ガスの一方が通る流路を備え、前記流路の少なくとも一部が前記固定部材と一体的に形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、残余の第１ガス及び残余の第２ガスの一方を、流路を通してこの燃料電池モジュールの外側へと排出することができる。従って、残余の第１ガスと残余の第２ガスとを反応させずに排出することができる。

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。

続いて、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１を参照しながら、本発明の第一実施形態である燃料電池モジュールに用いられる燃料電池セルＦＣ１について説明する。図１は、燃料電池セルＦＣ１の外形を説明するための斜視図である。

図１において、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ１の幅方向をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ１の厚み方向をｚ方向としている。

燃料電池セルＦＣ１は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ１は、ｘｙ平面を含む面であって図１においては天面として描かれている第一面１０１と、第一面１０１に対する裏面である第二面１０２と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１０３及び第四面１０４と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１０５（端面）及び第六面１０６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１０５は、流路７０が開口されている端面である開口端であって、流路７０を流れるガスの出口として形成され、第六面１０６は、流路７０が開口されている端面である開口端であって、流路７０を流れるガスの入口として形成されている。

燃料電池セルＦＣ１は、支持体２０と、空気極（図示しない）と、電解質部４０と、燃料極５０と、インタコネクタ部６０と、流路７０とを備えている。

支持体２０は、空気極（図示しない）、電解質部４０、燃料極５０、及びインタコネクタ部６０を支持するための支持体であって、その内部には流路７０が形成されている。支持体２０は、導電性の材料によって形成されており、例えばインタコネクタを形成する場合に用いられるＬａＣｒＯ_３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。

支持体２０には、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０が形成されている。本実施形態の場合、流路７０はｙ方向と直交するｘ方向に２つ連なって形成されている。各流路７０は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が第六面１０６から流入し、流入した空気が第五面１０５から流出するように形成されている。

このように、流路７０は、支持体２０内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成することで形成されている。支持体２０内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、支持体２０を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。

空気極（図示しない）は、支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、及び第四面１０４にかけて繋がるように層状に形成されている。空気極は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ_３、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＦｅＯ_３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。

電解質部４０は、支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、第四面１０４、第六面１０６を覆うように層状に形成されている。支持体２０の第一面１０１においては、インタコネクタ部６０が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０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。

燃料極５０は、支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、及び第四面１０４にかけてがるように層状に形成されている。燃料極５０は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。

インタコネクタ部６０は、支持体２０の第一面１０１の一部を覆うように層状に形成されている。インタコネクタ部６０は、ＬａＣｒＯ_３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。

尚、図１に示す例では、流路７０が第六面１０６から第五面１０５へと貫通する構造としているが、流路７０の形成態様はこれに限られない。例えば、折り返し流路として、第五面１０５から入った流路が、第六面１０６近傍で折り返し、再び第五面１０５から出るような構成としてもよい。

続いて、図２を参照しながら、第一実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭ１について説明する。図２は、燃料電池モジュールＦＣＭ１において、燃料電池セルＦＣ１の上端面近傍を示す側面図である。尚、図２においては記載を省略しているが、燃料電池モジュールＦＣＭ１には、燃料電池セルＦＣ１を納めるモジュール容器や、燃料電池セルＦＣ１から電気を集めるための集電部材や、燃料ガスや酸化剤ガスの供給装置としてのヘッダやガスタンク等が設けられている。また、そのような燃料電池モジュールＦＣＭ１を用いて、制御装置や空気供給装置やガス供給装置、並びに電力取り出し装置等を装着し、燃料電池システムを構成することができることも、詳細に説明するまでもなく当然のことである。

図２に示すように、各燃料電池セルＦＣ１の上端面である第五面１０５には、それぞれの第五面１０５を繋ぐようにシール部材Ｐ１（本発明のシール部材、シール部分、仕切部に相当する）が戴置され、更にシール部材Ｐ１には固定部材Ｐ２（本発明の固定部材、仕切部に相当する）が戴置されている。シール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２は、図示しないモジュール容器の内壁面に沿うような形状として構成されている。従って、シール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２は、モジュール容器を発電室と排ガス室とに仕切る仕切部として機能している。

シール部材Ｐ１は、アルミナ、ムライト、マグネシアといったセラミック繊維からなるシートで形成されている。シール部材Ｐ１は、固定部材Ｐ２と各燃料電池セルＦＣ１の上端面である第五面１０５との間に挟みこまれて圧縮されることで、各燃料電池セルＦＣ１の上端面である第五面１０５と面で密着している。

固定部材Ｐ２は、金属板又はセラミックス板からなる緻密な板状部材として形成されている。固定部材Ｐ２は、シール部材Ｐ１の上に戴置されることで、シール部材Ｐ１を各燃料電池セルＦＣ１の上端面との間で挟み込んでいる。

シール部材Ｐ１には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ１２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ１１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ１２と外側ガス排出流路Ｈ１１は、厚み方向においてシール部材Ｐ１を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ１のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

固定部材Ｐ２には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ２２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ２１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ２２と外側ガス排出流路Ｈ２１は、厚み方向において固定部材Ｐ２を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ１のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

シール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２に形成されている流路の状態を説明するために、図２のＡ−Ａ断面を図３に、Ｂ−Ｂ断面を図４に、Ｃ−Ｃ断面を図５に、それぞれ示す。図に示すように、シール部材Ｐ１に形成されている内側ガス排出流路Ｈ１２は、各燃料電池セルＦＣ１の流路７０に対応した位置に形成されている。また、固定部材Ｐ２に形成されている内側ガス排出流路Ｈ２２は、各燃料電池セルＦＣ１の流路７０及びシール部材Ｐ１の内側ガス排出流路Ｈ１２に対応した位置に形成されている。従って、各燃料電池セルＦＣ１の流路７０を流れる空気は、シール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２を貫通する。

シール部材Ｐ１に形成されている外側ガス排出流路Ｈ１１は、各燃料電池セルＦＣ１の間であって、各燃料電池セルＦＣ１と干渉しないように形成されている。また、固定部材Ｐ２に形成されている外側ガス排出流路Ｈ２１は、シール部材Ｐ１の外側ガス排出流路Ｈ１１と対応した位置に形成されている。従って、各燃料電池セルＦＣ１の外側を流れる燃料ガスは、シール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２を貫通する。このようにしてシール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２を貫通した空気及び燃料ガスは、燃料電池モジュールＦＣＭ１の外側へと排出される。

図６を参照しながら、本発明の第二実施形態である燃料電池モジュールＦＣＭ２ついて説明する。尚、第二実施形態において用いられる燃料電池セルＦＣ１については、既に説明してあるのでその記載を省略する。図６は、燃料電池モジュールＦＣＭ２において、燃料電池セルＦＣ１の上端面近傍を示す側面図である。

燃料電池モジュールＦＣＭ２においては、燃料電池セルＦＣ１にシール部材Ｐ１が戴置され、そのシール部材Ｐ１に固定部材Ｐ２が戴置されている。これらシール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２の構成は既に説明したものと同様である。従って、図６におけるＡ−Ａ断面は図３に示したものと同様であり、Ｂ−Ｂ断面は図４に示したものと同様であり、Ｃ−Ｃ断面は図５に示したものと同様である。

燃料電池モジュールＦＣＭ２の特徴的な部分は、側シール部材Ｐ３と、側固定部材Ｐ４とを設けたところである。側シール部材Ｐ３を構成する材料はシール部材Ｐ１と同様であり、側固定部材Ｐ４を構成する材料は固定部材Ｐ２と同様である。

側シール部材Ｐ３は、各燃料電池セルＦＣ１の上端面である第五面１０５に繋がる側面である第一面１０１、第二面１０２（図６においては明示しない）、第三面１０３、第四面１０４に沿って配置されている。側シール部材Ｐ３は、各燃料電池セルＦＣ１の上端面である第五面１０５の近傍の各側面を覆うように配置されている。

側固定部材Ｐ４は、各燃料電池セルＦＣ１の上端面である第五面１０５から、側シール部材Ｐ３の厚みよりも第五面１０５からの距離が短くなるような距離を保って配置されている。側固定部材Ｐ４は、各燃料電池セルＦＣ１と干渉しないように配置されている。従って、側固定部材Ｐ４と各燃料電池セルＦＣ１との間には隙間Ｇ１が形成されている。

上述したように、シール部材Ｐ１には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ１２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ１１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ１２と外側ガス排出流路Ｈ１１は、厚み方向においてシール部材Ｐ１を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ１のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

一方、側シール部材Ｐ３には、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ３１が形成されている。また、側シール部材Ｐ３には、燃料電池セルＦＣ１に対応した形状の貫通穴Ｈ３２が形成されている。外側ガス排出流路Ｈ３１と貫通穴Ｈ３２は、厚み方向において側シール部材Ｐ３を貫通するように形成されている。

上述したように、固定部材Ｐ２には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ２２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ２１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ２２と外側ガス排出流路Ｈ２１は、厚み方向において固定部材Ｐ２を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ１のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

一方、側固定部材Ｐ４には、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ４１が形成されている。また、側固定部材Ｐ４には、燃料電池セルＦＣ１に対応した形状の貫通穴Ｈ４２が形成されている。外側ガス排出流路Ｈ４１と貫通穴Ｈ４２は、厚み方向において側固定部材Ｐ４を貫通するように形成されている。

側シール部材Ｐ３及び側固定部材Ｐ４に形成されている流路や貫通穴の状態を説明するために、図６のＤ−Ｄ断面を図７に、Ｅ−Ｅ断面を図８に、それぞれ示す。図に示すように、側シール部材Ｐ３に形成されている貫通穴Ｈ３２は、各燃料電池セルＦＣ１に対応した位置に形成されている。また、側固定部材Ｐ４に形成されている貫通穴Ｈ４２は、各燃料電池セルＦＣ１に対応した位置に形成されている。従って、各燃料電池セルＦＣ１は、側シール部材Ｐ３及び側固定部材Ｐ４を貫通し、各燃料電池セルＦＣ１の流路７０を流れる空気は、側シール部材Ｐ３及び側固定部材Ｐ４を貫通する。

側シール部材Ｐ３に形成されている外側ガス排出流路Ｈ３１は、各燃料電池セルＦＣ１の間であって、各燃料電池セルＦＣ１と干渉しないように形成されている。また、側固定部材Ｐ４に形成されている外側ガス排出流路Ｈ４１は、側シール部材Ｐ３の外側ガス排出流路Ｈ４１と対応した位置に形成されている。従って、各燃料電池セルＦＣ１の外側を流れる燃料ガスは、側シール部材Ｐ３及び側固定部材Ｐ４を貫通する。更に、側シール部材Ｐ３の外側ガス排出流路Ｈ３１及び側固定部材Ｐ４の外側ガス排出流路Ｈ４１は、シール部材Ｐ１の外側ガス排出流路Ｈ１１及び固定部材Ｐ２の外側ガス排出流路Ｈ２１と対応した位置に形成されている。従って、側シール部材Ｐ３及び側固定部材Ｐ４を貫通した燃料ガスは、シール部材Ｐ１及び固定部材Ｐ２を貫通する。

上述した構成によれば、各燃料電池セルＦＣ１を配置し、それら燃料電池セルＦＣ１と干渉しないように側固定部材Ｐ４が配置される。その側固定部材Ｐ４の上に側シール部材Ｐ３が配置され、更にその上にシール部材Ｐ１が配置される。シール部材Ｐ１の上には固定部材Ｐ２が戴置され、側固定部材Ｐ４に向けてシール部材Ｐ１及び側シール部材Ｐ３を圧縮する。側シール部材Ｐ３は圧縮されることで、燃料電池セルＦＣ１の側面（第一面１０１、第二面１０２、第三面１０３、第四面１０４）に近接し、当接する。従って、燃料電池セルＦＣ１の外側を流れる燃料ガスは、側固定部材Ｐ４との間の隙間Ｇ１は通過するものの、側シール部材Ｐ３によって更に上昇することが妨げられる。

尚、上述した側固定部材Ｐ４は、各燃料電池セルＦＣ１に対応させて、貫通穴４２が形成されていたが、貫通穴の形成態様はこれに限られない。例えば、図９に示すように、３つの燃料電池セルＦＣ１を一つの貫通穴４２ａで対応させてもよい。

続いて、本発明の第三実施形態について説明する。まず、図１０を参照しながら、本発明の第三実施形態である燃料電池モジュールに用いられる燃料電池セルＦＣ２について説明する。図１０は、燃料電池セルＦＣ２の構造を説明するための断面図である。

燃料電池セルＦＣ２は、有底円筒状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ２は、有底円筒状の空気極支持体２と、空気極支持体２の外表面に形成される電解質部４と、電解質部４の一部分の表面に形成される燃料極５とを備えている。空気極支持体２の内側は流路７として形成され、その流路７内に空気導入管８が挿入されている。また、図には明示しないが、インタコネクタも形成されている。この燃料電池ＦＣ２では、空気導入管８から空気を流路７内に導入し、折り返して上昇する空気を燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１側より排出するものである。尚、空気極支持体２、電解質部４、燃料極５、インタコネクタ（図示しない）を構成する材料は上述したものと同等であるので、その説明を省略する。

続いて、図１１を参照しながら、第三実施形態の燃料電池モジュールＦＣＭ３について説明する。図１１は、燃料電池モジュールＦＣＭ３において、燃料電池セルＦＣ２の上端面近傍を示す側面図である。尚、図１１においては記載を省略しているが、燃料電池モジュールＦＣＭ３には、燃料電池セルＦＣ２を納めるモジュール容器や、燃料電池セルＦＣ２から電気を集めるための集電部材や、燃料ガスや酸化剤ガスの供給装置としてのヘッダやガスタンク等が設けられている。また、そのような燃料電池モジュールＦＣＭ３を用いて、制御装置や空気供給装置やガス供給装置、並びに電力取り出し装置等を装着し、燃料電池システムを構成することができることも、詳細に説明するまでもなく当然のことである。

図１１に示すように、各燃料電池セルＦＣ１の上端面５０１には、それぞれの上端面５０１を繋ぐようにシール部材Ｐ５（本発明のシール部材、シール部分、仕切部に相当する）が戴置され、更にシール部材Ｐ５には固定部材Ｐ６（本発明の固定部材、仕切部に相当する）が戴置されている。シール部材Ｐ５及び固定部材Ｐ６は、図示しないモジュール容器の内壁面に沿うような形状として構成されている。

シール部材Ｐ５は、アルミナ、ムライト、マグネシアといったセラミック繊維からなるシートで形成されている。シール部材Ｐ５は、固定部材Ｐ６と各燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１との間に挟みこまれて圧縮されることで、各燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１と面で密着している。

固定部材Ｐ６は、金属板又はセラミックス板からなる緻密な板状部材として形成されている。固定部材Ｐ６は、シール部材Ｐ５の上に戴置されることで、シール部材Ｐ５を各燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１との間で挟み込んでいる。

シール部材Ｐ５には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ５２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ５１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ５２と外側ガス排出流路Ｈ５１は、厚み方向においてシール部材Ｐ５を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ２のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

固定部材Ｐ６には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ５６と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ６１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ６２と外側ガス排出流路Ｈ６１は、厚み方向において固定部材Ｐ６を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ２のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

燃料電池モジュールＦＣＭ３では更に、側シール部材Ｐ７と、側固定部材Ｐ８とが設けられている。側シール部材Ｐ７を構成する材料はシール部材Ｐ５と同様であり、側固定部材Ｐ８を構成する材料は固定部材Ｐ６と同様である。

側シール部材Ｐ７は、各燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１に繋がる側面５０２に沿って配置されている。側シール部材Ｐ７は、各燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１の近傍の側面５０２を覆うように配置されている。

側固定部材Ｐ８は、各燃料電池セルＦＣ２の上端面５０１から、側シール部材Ｐ７の厚みよりも上端面５０１からの距離が短くなるような距離を保って配置されている。側固定部材Ｐ８は、各燃料電池セルＦＣ２と干渉しないように配置されている。従って、側固定部材Ｐ８と各燃料電池セルＦＣ２との間には隙間Ｇ２が形成されている。

上述したように、シール部材Ｐ５には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ５２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ５１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ５２と外側ガス排出流路Ｈ５１は、厚み方向においてシール部材Ｐ５を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ２のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

一方、側シール部材Ｐ７には、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ７１が形成されている。また、側シール部材Ｐ７には、燃料電池セルＦＣ２に対応した形状の貫通穴Ｈ７２が形成されている。外側ガス排出流路Ｈ７１と貫通穴Ｈ７２は、厚み方向において側シール部材Ｐ７を貫通するように形成されている。

上述したように、固定部材Ｐ６には、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ６２と、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ６１とが形成されている。内側ガス排出流路Ｈ６２と外側ガス排出流路Ｈ６１は、厚み方向において固定部材Ｐ６を貫通するように形成されていて、燃料電池セルＦＣ２のガスの流れ方向に沿うように形成されている。

一方、側固定部材Ｐ８には、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ８１が形成されている。また、側固定部材Ｐ８には、燃料電池セルＦＣ２に対応した形状の貫通穴Ｈ８２が形成されている。外側ガス排出流路Ｈ８１と貫通穴Ｈ８２は、厚み方向において側固定部材Ｐ８を貫通するように形成されている。

側シール部材Ｐ７及び側固定部材Ｐ８に形成されている流路や貫通穴の状態を説明するために、図１１のＦ−Ｆ断面を図１２に、Ｈ−Ｈ断面を図１３に、Ｉ−Ｉ断面を図１４に、Ｊ−Ｊ断面を図１５に、それぞれ示す。尚、図１１のＧ−Ｇ断面は、図１３に示すＨ−Ｈ断面と、流路や貫通穴の配置態様が同様であるので、その記載を省略する。図に示すように、側シール部材Ｐ７に形成されている貫通穴Ｈ７２は、各燃料電池セルＦＣ２に対応した位置に形成されている。また、側固定部材Ｐ８に形成されている貫通穴Ｈ８２は、各燃料電池セルＦＣ２に対応した位置に形成されている。従って、各燃料電池セルＦＣ２は、側シール部材Ｐ７及び側固定部材Ｐ８を貫通し、各燃料電池セルＦＣ２の流路７を流れる空気は、側シール部材Ｐ７及び側固定部材Ｐ８を貫通する。

側シール部材Ｐ７に形成されている外側ガス排出流路Ｈ７１は、各燃料電池セルＦＣ２の間であって、各燃料電池セルＦＣ２と干渉しないように形成されている。また、側固定部材Ｐ８に形成されている外側ガス排出流路Ｈ８１は、側シール部材Ｐ７の外側ガス排出流路Ｈ７１と対応した位置に形成されている。従って、各燃料電池セルＦＣ２の外側を流れる燃料ガスは、側シール部材Ｐ７及び側固定部材Ｐ８を貫通する。更に、側シール部材Ｐ７の外側ガス排出流路Ｈ７１及び側固定部材Ｐ８の外側ガス排出流路Ｈ８１は、シール部材Ｐ５の外側ガス排出流路Ｈ５１及び固定部材Ｐ６の外側ガス排出流路Ｈ６１と対応した位置に形成されている。従って、側シール部材Ｐ７及び側固定部材Ｐ８を貫通した燃料ガスは、シール部材Ｐ５及び固定部材Ｐ６を貫通する。

また、この燃料電池モジュールＦＣＭ３の場合、シール部材Ｐ５に形成されている内側ガス排出流路５２と、固定部材Ｐ６に形成されている内側ガス流出流路６２は、空気導入管８を出し入れすることが可能であって、空気導入管８との間から燃料電池セルＦＣ２内に導入された空気を排出することが可能なように形成されている。

上述した構成によれば、各燃料電池セルＦＣ２を配置し、それら燃料電池セルＦＣ２と干渉しないように側固定部材Ｐ８が配置される。その側固定部材Ｐ８の上に側シール部材Ｐ７が配置され、更にその上にシール部材Ｐ５が配置される。シール部材Ｐ５の上には固定部材Ｐ６が戴置され、側固定部材Ｐ８に向けてシール部材Ｐ５及び側シール部材Ｐ７を圧縮する。側シール部材Ｐ７は圧縮されることで、燃料電池セルＦＣ２の側面５０２に近接し、当接する。従って、燃料電池セルＦＣ２の外側を流れる燃料ガスは、側固定部材Ｐ８との間の隙間Ｇ２は通過するものの、側シール部材Ｐ７によって更に上昇することが妨げられる。

上述した燃料電池モジュールＦＣＭ１，ＦＣＭ２，ＦＣＭ３では、燃料電池セルＦＣ１，ＦＣ２において発電反応に寄与しなかった残余の酸化剤ガス及び燃料ガスを良好に分離して、発電室側から取り出すことができることから、それら酸化剤ガス及び燃料ガスをそのまま分離した状態で燃料電池モジュールＦＣＭ１，ＦＣＭ２，ＦＣＭ３の外側に排出することが好ましい。

この場合、各オフガスに対応した排出ガス室を設けることが好ましい。このような排出ガス室を設ける例を図１６に示す。図１６は、図６に示した燃料電池モジュールＦＣＭ２の固定部材Ｐ２に、外側ガス排出室Ｒ１と、内側ガス排出室Ｒ２とを設けた例を示している。

図１６に示すように、固定部材Ｐ２の、第１ガスである酸化剤ガスとしての空気を通すための内側ガス排出流路Ｈ２２に対応した位置に内側ガス排出室Ｒ２が設けられている。また、第２ガスである燃料ガスを通すための外側ガス排出流路Ｈ２１に対応した位置には、外側ガス排出室Ｒ１が設けられている。内側ガス排出室Ｒ２及び外側ガス排出室Ｒ１は、固定部材Ｐ２と一体的に設けられている。

内側ガス排出室Ｒ２には、排出管６０２が接続されている。排出管６０２は、燃料電池モジュールＦＣＭ２の外側へと導出されている。従って、内側ガス排出室Ｒ２及び排出管６０２は、固定部材Ｐ２から燃料電池モジュールＦＣＭ２の外側へと繋がる流路を形成している。

外側ガス排出室Ｒ１には、排出管６０１が接続されている。排出管６０１は、燃料電池モジュールＦＣＭ２の外側へと導出されている。従って、外側ガス排出室Ｒ１及び排出管６０１は、固定部材Ｐ２から燃料電池モジュールＦＣＭ２の外側へと繋がる流路を形成している。

第一実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。第一実施形態に係る燃料電池モジュールを示す断面図である。図２のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図２のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。図２のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。第二実施形態に係る燃料電池モジュールを示す断面図である。図６のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。図６のＥ−Ｅ断面を示す断面図である。図８の変形例を示す図である。第三実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。第三実施形態に係る燃料電池モジュールを示す断面図である。図１０のＦ−Ｆ断面を示す断面図である。図１０のＧ−Ｇ断面を示す断面図である。図１０のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。図１０のＪ−Ｊ断面を示す断面図である。図１０に示す燃料電池モジュールの変形例を示す図である。

符号の説明

２：空気極支持体
４：電解質部
５：燃料極
７：流路
８：空気導入管
２０：支持体
４０：電解質部
４２：貫通穴
４２ａ：貫通穴
５０：燃料極
５２：内側ガス排出流路
６０：インタコネクタ部
６２：内側ガス流出流路
７０：流路
１０１：第一面
１０２：第二面
１０３：第三面
１０４：第四面
１０５：第五面
１０６：第六面
５０１：上端面
５０２：側面
６０１：排出管
６０２：排出管
ＦＣ１，ＦＣ２：燃料電池セル
ＦＣＭ１，ＦＣＭ２，ＦＣＭ３：燃料電池モジュール
Ｇ１：隙間
Ｇ２：隙間
Ｈ１１：外側ガス排出流路
Ｈ１２：内側ガス排出流路
Ｈ２１：外側ガス排出流路
Ｈ２２：内側ガス排出流路
Ｈ３１：外側ガス排出流路
Ｈ３２：貫通穴
Ｈ４１：外側ガス排出流路
Ｈ４２：貫通穴
Ｈ５１：外側ガス排出流路
Ｈ５２：内側ガス排出流路
Ｈ５６：内側ガス排出流路
Ｈ６１：外側ガス排出流路
Ｈ６２：内側ガス排出流路
Ｈ７１：外側ガス排出流路
Ｈ７２：貫通穴
Ｈ８１：外側ガス排出流路
Ｈ８２：貫通穴
Ｐ１：シール部材
Ｐ２：固定部材
Ｐ３：側シール部材
Ｐ４：側固定部材
Ｐ５：シール部材
Ｐ６：固定部材
Ｐ７：側シール部材
Ｐ８：側固定部材
Ｒ１：外側ガス排出室
Ｒ２：内側ガス排出室

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルを容器内に複数配置し、当該複数配置された燃料電池セルの下端から上端に向けて、各燃料電池セルの内側は前記第１ガスを通し、各燃料電池セルの外側は前記第２ガスを通して発電反応を起こさせる燃料電池モジュールであって、
前記容器を、前記燃料電池セルに発電反応を起こさせる発電室と、前記燃料電池セルにおいて発電反応に寄与しなかった残余の第１ガス及び残余の第２ガスが前記発電室から流入する排ガス室とに仕切る仕切部を備え、
前記仕切部はシール部分を有しており、
前記各燃料電池セルの上端面と前記シール部分とが面で密着するように、前記シール部分が圧縮されてなることを特徴とする燃料電池モジュール。
前記仕切部は、前記シール部分を含むシール部材と、前記シール部材を挟んで前記各燃料電池セルとは反対側に設けられる固定部材とを有しており、
前記シール部材が前記各燃料電池セルの上端面と前記固定部材とによって挟み込まれることで、前記シール部分が圧縮され、前記各燃料電池セルの上端面と面で密着す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。
前記各燃料電池セルの上端面に繋がる側面に沿って配置される側シール部材と、
前記側シール部材を挟んで前記固定部材とは反対側に設けられ、前記各燃料電池セルとは絶縁された状態で配置される側固定部材と、を備え、
前記側シール部材は、前記固定部材と前記側固定部材とによって挟み込まれることで圧縮されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記固定部材は、金属又はセラミックスによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記側固定部材は、金属又はセラミックスによって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
前記シール部材は、絶縁性材料によって形成されてなるセラミック繊維シートであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記側シール部材は、絶縁性材料によって形成されてなるセラミック繊維シートであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
前記燃料電池セルの上端面が絶縁性材料によって形成されており、前記シール部材は金属フェルトによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
前記固定部材から前記燃料電池モジュールの外側へと繋がる流路であって、前記残余の第１ガス及び前記残余の第２ガスの一方が通る流路を備え、
前記流路の少なくとも一部が前記固定部材と一体的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
請求項１〜９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。