JP2010080266A - 燃料電池セルスタック装置およびそれを具備する燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、各燃料電池セルに流入する反応ガスの量のばらつきを抑制することにより、発電効率が向上した燃料電池セルスタック装置およびそれを具備する燃料電池モジュール、ならびに燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池セルスタック装置１は、燃料電池セル３を、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列してなるセルスタック２と反応ガスを供給するためのマニホールド７とを有し、端部に位置する集電部材のそれぞれの接触部の接触面積が、中央部に位置する集電部材における燃料電池セル３の長手方向においてそれぞれ対応する接触部の接触面積以上であって、かつ端部に位置する集電部材の接触部の接触面積の合計が、中央部に位置する集電部材の接触部の接触面積の合計よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを立接させた状態で集電部材を介して電気的に接続してなる燃料電池セルスタック装置およびそれを具備する燃料電池モジュール、ならびに燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと酸素含有ガス（空気等）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックを燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドに固定してなる燃料電池セルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図１３は、燃料電池セルスタック装置を構成する従来の集電部材の一例を示した正面図であり、（ａ）は隣接する一方の燃料電池セルに当接する複数の第一導電体片（接触部）８１と、隣接する他方の燃料電池セルに当接する第三導電体片（接触部）８３と、離れて配置される一の前記第一導電体片８１の一端と前記第三導電体片８３の他端とを接続する第二導電体片８２と、離れて配置される前記第二導電体片８２の一端と他の前記第一導電体片８１の他端とを接続する第四導電体片８４とを基本構成とし、燃料電池セルの長手方向に連続的に形成してなる集電部材８０ａを示しており（例えば、特許文献２参照。）、（ｂ）は、隣接する一方の燃料電池セルに当接する複数の第一導電体片（接触部）８５と、隣接する他方の燃料電池セルに当接する複数の第二導電体片（接触部）８６と、前記第一導電体片８５の両端部と前記第二導電体片８６の両端部とをそれぞれ接合するとともに、前記燃料電池セルの長手方向における複数の前記第一導電体片８５および前記第二導電体片８６を一体的に連結する第三導電体８７とを基本構成とし、燃料電池セルの長手方向に導電性連結片８８を介して連続的に形成してなる集電部材８０ｂを示している（例えば、特許文献３参照。）。
特開２００７−５９３７７号公報 特開２００７−２２７２０３号公報 特開２００７−２９９５５６号公報

ところで、燃料電池セルは、発電等により温度が上昇する。特に、燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設して電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の端部では、隣接する燃料電池セルの数が少ない、もしくは隣接する燃料電池セルが存在しないこととなり、燃料電池セルの熱が放熱されやすいが、燃料電池セルの配列方向における中央部では、両側に多数の燃料電池セルが配置されているために燃料電池セルの熱が放熱され難い。

それに伴い、燃料電池セルの配列方向における中央部は温度が高く、燃料電池セルの配列方向における端部は温度が低くなる場合があり、燃料電池セルの配列方向における温度分布が不均一となり、各燃料電池セルに流入する反応ガスの量にばらつきが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

したがって、本発明の目的は、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、各燃料電池セルに流入する反応ガスの量のばらつきを抑制することにより、発電効率が向上した燃料電池セルスタック装置およびそれを具備する燃料電池モジュール、ならびに燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部にガス流路を有する燃料電池セルを、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに前記ガス流路を介して反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置であって、前記集電部材は、隣り合う前記燃料電池セルと接触させるために、所定間隔を空けて設けられた板状をした一対の接触部と、該一対の接触部同士を接続する接続部とを有する複数の導電片を前記燃料電池セルの長手方向に連続的に形成してなるとともに、前記燃料電池セルの配列方向における端部に位置する前記集電部材のそれぞれの前記接触部の接触面積が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する前記集電部材における前記燃料電池セルの長手方向においてそれぞれ対応する前記接触部の接触面積以上であって、かつ前記燃料電池セルの配列方向における端部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積の合計が、前記燃料電池セルの配列方向における中央に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積の合計よりも大きいことを特徴とする。

このような燃料電池セルスタック装置においては、燃料電池セルの配列方向における端部に位置する集電部材のそれぞれの接触部の接触面積が、燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する集電部材における燃料電池セルの長手方向においてそれぞれ対応する接触部の接触面積以上であって、かつ燃料電池セルの配列方向における端部に位置する集電部材の接触部の接触面積の合計が、燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する集電部材の接触部の接触面積の合計よりも大きいことから、セルスタックを構成する各集電部材に流れる電流を比較した場合に、燃料電池セルの配列方向における端部に位置する集電部材を流れる電流が、燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する集電部材に流れる電流よりも多く流れ、燃料電池セルの配列方向における端部に位置する集電部材の発熱量が中央部と比較して大きくなる。それに伴い、燃料電池セルの配列方向における端部に位置する燃料電池セルの温度が上昇することから、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それにより、各燃料電池セルに流入する反応ガスの量のばらつきが抑制されることから、発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置は、前記燃料電池セルの長手方向における同一の高さにある前記集電部材の前記接触部の接触面積が、前記燃料電池セルの配列方向における端から前記燃料電池セルの配列方向における中央に向けて漸次小さくなっていることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、燃料電池セルの長手方向における同一の高さにある集電部材の接触部の接触面積が、燃料電池セルの配列方向における端から燃料電池セルの配列方向における中央に向けて漸次小さくなっていることから、燃料電池セルの配列方向における温度分布をより均一に近づけることができる。それにより、発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置、前記集電部材は、前記燃料電池セルの長手方向における下端部に位置する前記接触部の接触面積が、上端部に位置する前記接触部の接触面積よりも大きいことが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、集電部材の燃料電池セルの長手方向における上端部に位置する接触部の接触面積が、下端部に位置する接触部の接触面積よりも小さいことから、燃料電池セルの長手方向における温度分布を均一に近づけることができる。

すなわち、ガス流路より排出される反応ガスを燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置においては、各燃料電池セルの上端部の温度が最も高く、下端部へ向かうにつれ温度が低下するという不均一な温度分布となる場合がある。この場合、温度の高い燃料電池セルの上端部に電流が集中することで、燃料電池セルの上端部の劣化が早くなるおそれがある。

それゆえ、集電部材の燃料電池セルの長手方向における下端部に位置する接触部の接触面積を上端部に位置する接触部の接触面積よりも大きくすることにより、集電部材の下端部の温度が上昇する。それに伴い、燃料電池セルの長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セルの上端部の劣化が早まることを抑制することができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、前記集電部材は、前記接触部の接触面積が前記燃料電池セルの長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくなっていることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、接触部の接触面積を燃料電池セルの長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくすることにより、燃料電池セルの長手方向における温度分布をより均一に近づけることができ、燃料電池セルの上端部の劣化が早まることを抑制することができる。

本発明の燃料電池モジュールは、上記のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの配列方向における温度分布を均一に近づけることで発電効率が向上した燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池モジュールとすることができる。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールを外装ケースに収納してなることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、発電効率の向上した燃料電池モジュールを外装ケースに収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部にガス流路を有する燃料電池セルを、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記燃料電池セルに前記ガス流路を介して反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置であって、前記集電部材は、隣り合う前記燃料電池セルと接触させるために、所定間隔を空けて設けられた板状をした一対の接触部と、該一対の接触部同士を接続する接続部とを有する複数の導電片を前記燃料電池セルの長手方向に連続的に形成してなるとともに、前記燃料電池セルの配列方向における端部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する前記集電部材における前記燃料電池セルの長手方向においてそれぞれ対応する前記接触部の接触面積以上であって、かつ前記燃料電池セルの配列方向における端部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積の合計が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積の合計よりも大きいことから、燃料電池セルのセル配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

図１は、本発明の燃料電池セルスタック装置（以下、セルスタック装置と略す場合がある。）の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１の一部拡大平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。また、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。なお、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印で表し、燃料電池セルの配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）における中央部を（Ａ）、端部を（Ｂ）と示している。以下の図においても同様である。

ここで、セルスタック装置１は、内部にガス流路１３を有して、一対の対向する平坦面をもつ導電性支持基板１２（以下、支持基板と略す場合がある。）の一方の平坦面上に燃料極層８、固体電解質層９、空気極層１０を順次積層してなるとともに、他方の平坦面にインターコネクタ１１を積層してなる柱状の燃料電池セル３の複数個を、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４を介することで燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してセルスタック２を形成し、燃料電池セル３の下端を、ガス流路１３を介して燃料電池セル３に反応ガスを供給するためのマニホールド７にガラスシール材等の絶縁性接合材により固定して形成されている。なお、図１に示すセルスタック装置１においては、ガス流路１３にマニホールド７より反応ガスとして水素含有ガス（燃料ガス）を供給する場合の例を示している。また、図１に示すセルスタック装置１においては、下端がマニホールド７に固定され、燃料電池セル３の配列方向の両端部からセルスタック２を挟持するように配置されたセルスタック支持部材５を具備している。なお、セルスタック支持部材５は、セル配列方向に沿って、外側へ向けて延びており、燃料電池セル３の発電により生じる電流を取り出すための電流引出し部６が設けられている。

また、インターコネクタ１１の外面にはＰ型半導体層１４を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層１４を介してインターコネクタ１１に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。

このようなセルスタック装置１においては、ガス流路１３より排出される燃料ガス（余剰の燃料ガス）を燃料電池セル３の上端部側で燃焼させるように構成することにより燃料電池セル３の温度を上昇させることができる。それにより、燃料電池セルスタック装置１の起動を早めることができる。

なお、図示していないが、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスは、燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に流れるように供給されることが好ましい。

また、詳細は後述するが、セルスタック２の上方に天然ガスや灯油等の原燃料を燃料ガスに改質するための改質器を配置することにより、効率よく改質反応を行うことが可能となる。

以下、図１に示すセルスタック装置１及び燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料極層８は、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアおよび部分安定化ジルコニアを含む）と、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも１種とを含んで形成することができる。

固体電解質層９は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされる。そのため３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２により形成することが好ましい。なお、上記特性を有する限りにおいて、他の材料を使用してもよい。

空気極層１０は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、ＡＢＯ_３として表されるペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成することができる。空気極層１０はガス透過性を有する必要があり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１１は、導電性セラミックスにより形成することができるが、燃料ガスおよび酸素含有ガスと接触するため、耐還元性および耐酸化性を有することが必要であり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１１は支持基板１２に形成されたガス流路１３を流れる燃料ガス、および支持基板１２の外側を流れる酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

支持基板１２としては、燃料ガスを燃料極層８まで透過するためにガス透過性を有すること、さらには、インターコネクタ１１を介して集電するために導電性を有することが要求される。したがって、支持基板１２としては、かかる要求を満足するものを材料として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。

また、図１に示した燃料電池セル３において、柱状の支持基板１２は、立設方向に細長く延びる板状片であり、一対の対向する平坦面と半円形上の両側面を有する中空平板状である。そして燃料電池セル３の下端とセルスタック支持部材５の下端とが、マニホールド７にガラスシール材等の絶縁性接合材で固定され、支持基板１２に設けられたガス流路１３が、マニホールド７のガス室（図示せず）に通じている。なお、以降の説明において、中空平板状の燃料電池セル３を用いて説明する。

燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層８や固体電解質層９との同時焼成により支持基板１２を作製する場合においては、支持基板１２には、鉄族金属成分（例えば、ＮｉやＮｉＯ等）と特定希土類酸化物（支持基板１２の熱膨張係数を固体電解質９の熱膨張係数に近づけるために使用される希土類の酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３やＹｂ_２Ｏ_３等）とから形成することが好ましい。また、支持基板１２は、燃料ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、その導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属のペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト酸化物（ＬａＣｒＯ_３）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、ＬａＭｎＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ_３）、ＬａＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ_３）、ＬａＣｏＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ_３）の少なくとも１種から構成することが好ましく、特に６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物から構成することが特に好ましい。なお、ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在してもよいこのようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

集電部材４は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができ、所定の間隔をあけて設けられた各燃料電池セル３間に介装され、各燃料電池セル３を電気的に接続する。

なお、集電部材４としては、弾性を有するとともに、耐熱性を有することが好ましく、例えば、Ｃｒを１０〜３０重量％含有する合金や、Ｆｅ−Ｎｉ系の合金等を用いることができる。さらに、Ｃｒを含有する集電部材においては、Ｃｒの拡散を防止するためのＣｒ拡散防止膜を設けておくことが好ましい。

ところで、図１に示すような複数の燃料電池セル３を配置して構成されるセルスタック装置１においては、セル配列方向において、不均一な温度分布が生じる場合がある。すなわち、セル配列方向における端部では、隣接する燃料電池セル３が少ない、もしくは、存在しないこととなり放熱されやすいが、セル配列方向における中央部では、両側に多数の燃料電池セル３が配置されることにより放熱され難く、セル配列方向における中央部は温度が高く、セル配列方向における端部は温度が低くなる場合がある。そして、セル配列方向において不均一な温度分布が生じた場合には、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３に流入する反応ガスの量にばらつきが生じ、発電効率が低下するおそれがある。

図２および図３は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３間に介装される集電部材１５の一例を示したものであり、図２は正面図であり、図３は一部を抜粋して示す斜視図である。なお、図２で示す（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材１５ａを示し、（Ｂ）はセル配列方向における端部に位置する集電部材１５ｂを示す。なお、以降の図で、集電部材を示す場合においては、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向における端部に位置する集電部材をそれぞれ示すものとする。

図２および図３に示す集電部材１５は、所定間隔を空けて設けられた板状をした一対の接触部１６と、該一対の接触部１６同士を接続する接続部１９とを有する複数の導電片を前記燃料電池セル３の長手方向に連続的に形成して構成されている。

具体的には、隣接する一方の燃料電池セル３の空気極層１０に当接する一方の接触部１６と、隣接する一方の燃料電池セル３のP型半導体層１４（P型半導体層１４がない場合にはインターコネクタ１１）に当接する他方の接触部１６と、離れて配置される一方の接触部１６の一つの接触部１６の一端と他方の接触部１６の一つの接触部１６の他端とを接続する接続部１９と、前記他方の接触部１６の一つの接触部１６の一端と前記一方の接触部１６の他の一つの接触部１６の他端とを接続する接続部１９とを基本構成の導電片として具備する。そしてこの基本構成である導電片を燃料電池セル３の長手方向に沿って連続的に形成することにより、燃料電池セル３の長手方向（以下、セル長手方向と略す場合がある。）に延在する一繋がりの集電部材１５a，１５ｂを形成している。

ここで、図２（A）、（B）において、セル配列方向の端部に位置する集電部材１５ｂのそれぞれの接触部１６の接触面積が、セル配列方向の中央部に位置する集電部材１５ａにおけるセル長手方向においてそれぞれ対応する接触部１６の接触面積以上であり、かつ端部に位置する集電部材１５ｂの接触部１６の接触面積の合計（以下、接触部の合計接触面積と略す場合がある。）が中央部に位置する集電部材１５ａの接触部の合計接触面積に比べ大きい。

なお、セル配列方向の中央部に位置する集電部材１５ａは、集電部材の数が偶数の場合、セル配列方向における中央に位置する燃料電池セル３と隣り合う燃料電池セル３間に介装される集電部材、およびその近傍に配置される集電部材を含み、集電部材１５ａの数が奇数の場合、セル配列方向における中央に位置する集電部材、およびその近傍に配置される集電部材を含む。なお、あらかじめ同じ形状の集電部材を用いた燃料電池セルスタック装置１における温度分布を考慮して、セル配列方向の端部および中央部を適宜設定することができる。

また、燃料電池セル３の配列方向における端部に位置する集電部材１５ｂのそれぞれの接触部１６の接触面積が、燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置する集電部材１５ａにおける燃料電池セル３の長手方向においてそれぞれ対応する接触部１６の接触面積以上であるとは、例えば、図２のｃ部で示すように、燃料電池セル３の長手方向において、マニホールド７に固定された燃料電池セル３の下端から同じ高さにある集電部材１５ａ、１５ｂの接触部１６の接触面積を比較したときに、集電部材１５ｂの接触部１６の接触面積が、集電部材１５ａの接触部１６の接触面積と同等または大きいことをいう。また、燃料電池セル３の配列方向における端部に位置する集電部材１５ｂの接触部１６の接触面積の合計が、燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置する集電部材１５ａの接触部１６の接触面積の合計よりも大きいとは、燃料電池セル３の配列方向における端部に位置する集電部材１５ｂのうち一方の燃料電池セル３と接続される全ての接触部１６の接触面積の合計が、燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置する集電部材１５ａのうち一方の燃料電池セル３と接続される全ての接触部１６の接触面積の合計よりも大きいことをいう。ただし、集電部材１５ａ，１５ｂの接触部１６の接触面積を比較する場合、同じ側にある接触部１６同士を比較する。

このように、端部に位置する集電部材１５ｂのそれぞれの接触部１６の接触面積を、中央部に位置する集電部材１５ａのセル長手方向においてそれぞれ対応する接触部１６の接触面積以上とするとともに、端部に位置する集電部材１５ｂの接触部の合計接触面積を、中央部に位置する集電部材１５ａの接触部の合計面積よりも大きくすることにより、中央部に位置する集電部材１５ａに比べ、端部に位置する集電部材１５ｂに多く電流が流れることになり、端部に位置する集電部材１５ｂの発熱量を集電部材１５ａの発熱量より大きくすることができる。それに伴い、端部に位置する燃料電池セル３の温度が上昇することから、セル配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それにより、各燃料電池セル３に流入する反応ガスの量のばらつきを抑制することができ、発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

なお、図２に示した集電部材１５ａ，１５ｂでは、燃料電池セル３の長手方向に垂直な方向（以下、セル幅方向と略す場合がある。）における接触部１６の長さを同一とし、下端部における接触部１６のセル長手方向における長さを変えることで接触部１６の接触面積を大きくした例を示したが、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、端部に位置する集電部材２０ｂの接触部２１と、中央部の集電部材２０ａの接触部２１とを、セル長手方向の長さを同一とし、セル幅方向の長さを変えることで、接触部２１の接触面積を大きくすることもできる。なお、図４（Ａ）の中央部に位置する集電部材２０ａの接触部２１におけるセル幅方向の長さは、燃料電池セル３のセル幅よりも短くなっている。また、図示していないが、端部に位置する集電部材のセル長手方向における接触部の長さと、セル幅方向における接触部の長さの両方を中央部に位置する集電部材の接触部よりも長くすることで、集電部材における接触部の接触面積を大きくすることもできる。なお図４において、各接触部２１は、接続部２４により接続されている。

図５（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３の間に介装される集電部材の他の一例を示したものであり、（ａ）はセル配列方向における中央部および端部に位置する各集電部材の正面図、（ｂ）は（Ａ）に示す集電部材の平面図である。

図５（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材２５ａ，２５ｂは、所定間隔を空けて設けられた板状をした一対の接触部２６と、該一対の接触部２６同士を接続する接続部２７とを有する複数の導電片を前記燃料電池セル３の長手方向に連続的に形成して構成されている。

具体的には、隣接する一方の燃料電池セル３の空気極層１０に当接する一方の接触部２６と、隣接する他方の燃料電池セル３のＰ型半導体層１４（Ｐ型半導体層１４がない場合にはインターコネクタ１１）に当接する他方の接触部２６と、これら一対の接触部２６の両端同士をそれぞれ接合する接続部２７とを基本構成の導電片として具備する。より詳細には左右に配置される接続部２７間に渡された複数の帯状をした接触部２６を、図５（ｂ）に示すように、接続部２７に対して交互に（紙面に対して上下方向）に折り曲げて導電片２８を構成し、この導電片２８の複数個を、導電性連結片２９を介してセル長手方向に沿って連続的に形成することにより、セル長手方向に延在する一繋がりの集電部材２５ａ，２５ｂを形成している。

ここで、図５（Ａ）、（Ｂ）において、セル配列方向の端部に位置する集電部材２５ｂのそれぞれの接触部２６の接触面積は、セル配列方向の中央部に位置する集電部材２５ａにおけるセル長手方向においてそれぞれ対応する接触部２６の接触面積以上であり、かつセル配列方向の端部に位置する接触部の合計接触面積は、セル配列方向の中央部に位置する集電部材２５ａの接触部の合計接触面積に比べ大きい。

このように、セル配列方向の端部に位置する集電部材２５ｂのそれぞれの接触部２６の接触面積を、セル配列方向の中央部に位置する集電部材２５ａのセル長手方向において、それぞれ対応する接触部２６の接触面積以上とするとともに、端部に位置する集電部材２５ｂの接触部の合計接触面積を、中央部に位置する集電部材２５ａの接触部の合計面積よりも大きくすることにより、セル配列方向の中央部に位置する集電部材２５ａに比べ、セル配列方向の端部に位置する集電部材２５ｂに多く電流が流れることになり、集電部材２５ｂの発熱量を集電部材２５ａの発熱量より大きくすることができる。それに伴い、セル配列方向の端部に位置する燃料電池セル３の温度が上昇することから、セル配列方向における温度分布を均一に近づけることができる。それにより、各燃料電池セル３に流入する反応ガスの量のばらつきを抑制することができ、発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

図６（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３に介装される集電部材の他の一例を示している。

図６（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材３０ａ，３０ｂは、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材２５ａ，２５ｂと同様の構造をしたもので、セル長手方向における接触部３１の長さを同一とし、セル配列方向の端部に位置する集電部材３０ｂの下端部における接触部３１のセル幅方向における長さを変えることで接触部３１の接触面積を大きくしたものである。なお、図６（Ａ）のセル配列方向の中央部に位置する集電部材３０ａの接触部３１におけるセル幅方向の長さは、燃料電池セル３のセル幅よりも短くなっている。なお図６において、各接触部３１は、接続部３２により接続されている。

ところで、セル配列方向における温度分布は、ある一点で大きく変わるような断続的変化ではなく、連続的な変化となる場合がある。そのため、集電部材における接触部の面積は、セル配列方向において端部から中央部にかけて漸次小さくすることが好ましい。

それゆえ、集電部材１５ａ，１５ｂ，２０ａ，２０ｂ，２５ａ，２５ｂ，３０ａ，３０ｂにおける接触部１６，２１，２６，３１の接触面積を温度分布にあわせて適宜変更することが好ましく前記集電部材１５ａ，１５ｂ，２０ａ，２０ｂ，２５ａ，２５ｂ，３０ａ，３０ｂは、前記燃料電池セル３の長手方向における同一の高さにある前記接触部１６，２１，２６，３１の接触面積が、前記燃料電池セル３の配列方向における端から前記燃料電池セル３の配列方向における中央に向けて漸次小さくなっていることが好ましい。

ところで、ガス流路１３より排出される燃料ガスを燃料電池３の上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置１においては、各燃料電池セル３の上端部の温度が高く、下端部に向かうにつれ温度が低下するという不均一な温度分布となる場合があり、温度の高い燃料電池セル３の上端部に電流が集中することで、燃料電池セル３の上端部の劣化が早くなるおそれがある。

そこで、集電部材のセル長手方向における下端部の接触部の接触面積は、上端部に位置する接触部の接触面積より大きいことが好ましい。それゆえ、図２，４〜６においては、集電部材の接触部の接触面積が、上端部に比べ下端部の方が大きい集電部材の例を示している。

それにより、燃料電池セル３の下端部の温度が上昇し、セル長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の上端部に電流が集中することを抑制し、上端部の劣化が早まることを抑制することができる。

また、セル長手方向における温度分布は、ある一点で大きく変わるような断続的変化ではなく、連続的な変化となる場合がある。そのため、集電部材における接触部の接触面積は、セル長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくすることが好ましい。

図７（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３に介装される集電部材の他の一例を示している。

図７（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材３５ａ，３５ｂは接触部３６のセル長手方向の長さを同一とし、セル幅方向における接触部３６の長さを、セル配列方向の端部に位置する集電部材３５ｂを、セル配列方向の中央部に位置する集電部材３５ａよりも長くすることで、セル配列方向の端部に位置する集電部材３５ｂの接触部３６の接触面積を、セル配列方向の中央部に位置する集電部材３５ａの接触部３６の接触面積より大きくするとともに、端部に位置する集電部材３５ｂの接触部３６の合計接触面積を、中央部に位置する集電部材３５ａの接触部３６の合計面積よりも大きくしている。

また、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部３６のセル幅方向の長さを漸次大きくすることで、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部３６の接触面積を漸次大きくしている。なお、図７（Ａ）のセル配列方向の中央部に位置する集電部材３５ａの接触部３６におけるセル幅方向の長さは、燃料電池セル３のセル幅よりも短くなっている。また、図７において、各接触部３６は接続部３９により接続されている。

それにより、セル配列方向の端部に位置する燃料電池セル３の温度が上昇することから、セル配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の発電効率をさらに向上させることができる。あわせて、集電部材３５ａ，３５ｂの各接触部の接触面積を、セル長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくすることで、セル長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の上端部の劣化が早くなることを抑制することができる。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３に介装される集電部材の他の一例を示している。

図８（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材４０ａ，４０ｂは、セル配列方向の端部に位置する集電部材４０ｂの接触部４１と、セル配列方向の中央部に位置する集電部材４０ａの接触部４１とを、セル幅方向の長さを同一とし、セル長手方向における接触部４１の長さをセル配列方向の端部に位置する集電部材４０ｂを、セル配列方向の中央部に位置する集電部材４０ａよりも長くすることで、セル配列方向の端部に位置する集電部材４０ｂの接触部４１の接触面積を、セル配列方向の中央部に位置する集電部材４０ａの接触部４１の接触面積より大きくするとともに、端部に位置する集電部材４０ｂの接触部４１の合計接触面積を、中央部に位置する集電部材４０ａの接触部４１の合計面積よりも大きくしている。

また、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部４１のセル長手方向の長さを漸次大きくすることで、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部４１の接触面積を漸次大きくしている。なお、図８において、各接触部４１は接続部４４により接続されている。

それにより、セル配列方向の端部に位置する燃料電池セル３の温度が上昇することから、セル配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の発電効率をさらに向上させることができる。あわせて、集電部材４０ａ，４０ｂの各接触部の接触面積を、セル長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくすることで、セル長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の上端部の劣化が早くなることを抑制することができる。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３に介装される集電部材の他の一例を示している。

図９（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材４５ａ，４５ｂは接触部４６のセル長手方向の長さを同一とし、セル幅方向における接触部４６の長さを、セル配列方向の端部に位置する集電部材４５ｂを、セル配列方向の中央部に位置する集電部材４５ａよりも長くすることで、セル配列方向の端部に位置する集電部材４５ｂの接触部４６の接触面積を、セル配列方向の中央部に位置する集電部材４５ａの接触部４６の接触面積より大きくするとともに、端部に位置する集電部材４５ｂの接触部４６の合計接触面積を、中央部に位置する集電部材４５ａの接触部４６の合計面積よりも大きくしている。

また、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部４６のセル幅方向の長さを漸次大きくすることで、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部４６の接触面積を漸次大きくしている。なお、図９（Ａ）のセル配列方向の中央部に位置する集電部材４５ａの接触部３６におけるセル幅方向の長さは、燃料電池セル３のセル幅よりも短くなっている。また、図９において、各接触部４６は接続部４７により接続されている。

それにより、セル配列方向の端部に位置する燃料電池セル３の温度が上昇することから、セル配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の発電効率をさらに向上させることができる。あわせて、集電部材４５ａ，４５ｂの各接触部の接触面積を、セル長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくすることで、セル長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の上端部の劣化が早くなることを抑制することができる。

図１０（Ａ）、（Ｂ）は、本発明のセルスタック装置１において、隣り合う燃料電池セル３に介装される集電部材の他の一例を示している。

図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す集電部材５０ａ，５０ｂは、セル配列方向の端部に位置する集電部材５０ｂの接触部５１と、セル配列方向の中央部に位置する集電部材５０ａの接触部５１とを、セル幅方向の長さを同一とし、セル長手方向における接触部５１の長さをセル配列方向の端部に位置する集電部材５０ｂを、セル配列方向の中央部に位置する集電部材５０ａよりも長くすることで、セル配列方向の端部に位置する集電部材５０ｂの接触部５１の接触面積を、セル配列方向の中央部に位置する集電部材５０ａの接触部５１の接触面積より大きくするとともに、端部に位置する集電部材５０ｂの接触部５１の合計接触面積を、中央部に位置する集電部材５０ａの接触部５１の合計面積よりも大きくしている。

また、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部５１のセル長手方向の長さを漸次大きくすることで、セル長手方向の上端から下端に向けて接触部５１の接触面積を漸次大きくしている。なお、図１０において、各接触部５１は接続部５２により接続されている。

それにより、セル配列方向の端部に位置する燃料電池セル３の温度が上昇することから、セル配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の発電効率をさらに向上させることができる。あわせて、集電部材５０ａ，５０ｂの各接触部の接触面積を、セル長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくすることで、セル長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セル３の上端部の劣化が早くなることを抑制することができる。

以上本発明について説明したが、本発明においては収納容器内に燃料電池セルスタック装置を収納することで、本発明の燃料電池モジュール６０とすることができ、図１１は本発明の燃料電池モジュール６０の一例を示した斜視図である。

図１１において、燃料電池モジュール６０は、直方体状の収納容器６１の内部に、燃料ガスが流通するガス流路１３を有する燃料電池セル６２を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル６２間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続してセルスタック６４を構成するとともに、燃料電池セル６２の下端部をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド６３に固定してなる燃料電池セルスタック装置１を収納して構成されている。

なお、燃料電池セル６２にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器６５をセルスタック６４の上方に配置している。そして、改質器６５で生成された燃料ガスは、ガス流通管６６を介してマニホールド６３に供給され、マニホールド６３を介して燃料電池セル６２の内部に設けられたガス流路１３に供給される。

なお、図１１においては、収納容器６１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置６７および改質器６５を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１１に示した燃料電池モジュール６０においては、セルスタック装置６７を、収納容器６１内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置６７は、改質器６５を含むものとしても良い。

また収納容器６１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材６８は、図１１においてはマニホールド６３に並置されたセルスタック６４の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル６２の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル６２の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル６２のガス流路１３より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル６２の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル６２の温度を上昇させることができ、セルスタック装置６７の起動を早めることができる。また、燃料電池セル６２のセル長手方向における上端部側にて、燃料電池セル６２のガス流路１３から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル６２（セルスタック６４）のセル長手方向における上方に配置された改質器６５を温めることができる。それにより、改質器６５で効率よく改質反応を行うことができる。ただし、この場合においては上述したように燃料電池セル６２のセル長手方向における温度分布が不均一となることがあるため、本発明のセルスタック装置６７の構成を採用することにより、セル長手方向における温度分布を均一に近づき、発電効率を向上させることができる。

なお、図１１においては図示していないが、燃料電池セル６２を上述した集電部材を介して電気的に接続することにより、燃料電池セル６２のセル長手方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール６０とすることができる。

図１２は、本発明の燃料電池装置７０の一例を示す分解斜視図である。なお、図１２においては一部構成を省略して示している。

図１２に示す燃料電池装置７０は、支柱７６と外装板７７から構成される外装ケース内を仕切板７８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール６０を収納するモジュール収納室７４とし、下方側を燃料電池モジュール６０を動作させるための補機類を収納する補機収納室７３として構成されている。なお、補機収納室７３に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板７８には、補機収納室７３の空気をモジュール収納室７４側に流すための空気流通口７１が設けられており、モジュール収納室７４を構成する外装板７７の一部に、モジュール収納室７４内の空気を排気するための排気口７２が設けられている。

このような燃料電池装置７０においては、上述したように、発電効率を向上することができる燃料電池モジュール６０をモジュール収納室７４に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置７０とすることができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述したセルスタック装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外部に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、酸素含有ガスをガス流路に供給し、燃料電池セル３の外部に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。

本発明の燃料電池セルスタック装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置の点線枠で囲った部分の一部を拡大した平面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 図２で示した集電部材の一部を抜粋して示す斜視図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材（Ａ）とセル配列方向の端部に位置する集電部材（Ｂ）の正面図を示し、（ｂ）は（ａ）の（Ａ）で示した集電部材の平面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示し、（Ａ）はセル配列方向における中央部に位置する集電部材を、（Ｂ）はセル配列方向の端部に位置する集電部材を示す正面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。 従来の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 従来の集電部材の一例を示す正面図である。

符号の説明

１、６７：燃料電池セルスタック装置
２、６４：セルスタック
３、６２：燃料電池セル
４，１５ａ，１５ｂ，２０ａ，２０ｂ，２５ａ，２５ｂ，３０ａ，３０ｂ，３５ａ，
３５ｂ，４０ａ，４０ｂ，４５ａ，４５ｂ，５０ａ，５０ｂ，８０ａ，８０ｂ：集電部材
７、６３：マニホールド
１３：ガス流路
１６，２１，２６，３１，３６，４１，４６，５１，８１，８３，８６，８７：接触部
１９，２４，２７，３２，３９，４４，４７，５２，８７：接続部
６０：燃料電池モジュール
７０：燃料電池装置

Claims (6)

1. 内部にガス流路を有する燃料電池セルを、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに前記ガス流路を介して前記燃料電池セルに反応ガスを供給するためのマニホールドとを有し、前記ガス流路より排出される反応ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置であって、前記集電部材は、隣り合う前記燃料電池セルと接触させるために、所定間隔を空けて設けられた板状をした一対の接触部と、該一対の接触部同士を接続する接続部とを有する複数の導電片を前記燃料電池セルの長手方向に連続的に形成してなるとともに、前記燃料電池セルの配列方向における端部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する前記集電部材における前記燃料電池セルの長手方向においてそれぞれ対応する前記接触部の接触面積以上であって、かつ前記燃料電池セルの配列方向における端部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積の合計が、前記燃料電池セルの配列方向における中央部に位置する前記集電部材の前記接触部の接触面積の合計よりも大きいことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
2. 前記集電部材は、前記燃料電池セルの長手方向における同一の高さにある前記接触部の接触面積が、前記燃料電池セルの配列方向における端から前記燃料電池セルの配列方向における中央に向けて漸次小さくなってい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。
3. 前記集電部材の前記燃料電池セルの長手方向における下端部に位置する前記接触部の接触面積が、上端部に位置する前記接触部の接触面積よりも大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
4. 前記集電部材は、前記接触部の接触面積が前記燃料電池セルの長手方向において上端から下端に向けて漸次大きくなっていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セルスタック装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項５に記載の燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。

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