JP2010108698A - 燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の燃料電池セルの姿勢保持を確実に行うことができ、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼を確実に行うことができる燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュールを提供すること。
【解決手段】 この燃料電池セルスタックユニットは、燃料電池セル４を含む複数の燃料電池セルユニット３０と、複数の燃料電池セルユニット３０それぞれの上部を保持する上支持板４００ａと、を備え、複数の燃料電池セルユニット３０それぞれは上支持板４００ａに対して密着固定されている。発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスを確実に燃焼させるために、複数の上支持板を備え、それを離間配置し離間部を形成させることで、発電反応に寄与しなかった残余の酸化剤ガスをガスタンク側から燃料電池セル部材の他端側へと導入させ、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスを確実に燃焼させて排出させた。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池セルスタックユニット、その燃料電池セルスタックユニットを備える燃料電池モジュールに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールにおいては、複数の燃料電池セルを立設させることが一般的に行われている。例えば、下記特許文献１では、複数の燃料電池セル間に集電部材を介装する場合に、その集電部材によって各燃料電池セルが押し広げられてしまい、各燃料電池セルの根元部分に対して先端部分が広がってしまう口開き現象を抑制するための技術が開示されている。

下記特許文献１に記載の技術は、複数の燃料電池セルを所定間隔をおいて立設した状態でマニホールドに固定し、隣接する燃料電池セル間に集電部材を介装してなるセルスタックを構成し、そのセルスタックの先端部に、その先端部を取り囲む枠体を設けている。

また、燃料電池モジュールにおける燃料電池セルの姿勢保持に着目した技術としては、下記特許文献２に記載されているようなものも提案されている。
特開２００５−１２９３１４号公報 特開２００８−７１７１１号公報

上記特許文献１に記載されている燃料電池モジュールでは、一列に配置された燃料電池セルの周囲を囲むように枠体を設けており、この枠体によっていわゆる口開き現象を防止している。従って、枠体に溝状の窪みを設けて各燃料電池セルの位置を規制しようとはしているものの、その姿勢保持は強固なものではなく、例えば燃料電池セルを行列配置する場合には対処できないものであった。

一方で、単純に各燃料電池セルの位置を強固に固定しようとすれば、各燃料電池セルの周囲に様々な固定部材が必要となり、各燃料電池セルの周囲を流れる酸化剤ガスの流れを乱してしまう恐れがある。このような流れの乱れは、残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとの燃焼が不十分なものとなる原因ともなりえるものであって、対処することが求められると想定される。

そこで本発明では、複数の燃料電池セルの姿勢保持を確実に行うことができるとともに、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとの燃焼を確実に行うことができる燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュール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セルスタックユニットは、燃料ガスが内部通路の一端側から他端側へと流れ、酸化剤ガスが外部の一端側から他端側へと流れることによって作動する燃料電池セルを含む複数の燃料電池セル部材と、
前記複数の燃料電池セル部材の上部を保持する板状の保持部材と、を備える燃料電池セルスタックユニットであって、
前記複数の燃料電池セル部材それぞれは前記保持部材に対して密着固定され、
前記複数の燃料電池セル部材それぞれの先端において燃料ガスが燃焼する燃焼部を有し、
前記保持部材を複数備え、前記保持部材は離間配置されることを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。

本発明によれば、複数の燃料電池セルの姿勢保持を確実に行うことができるとともに、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスとの燃焼を確実に行うことができる燃料電池セルスタックユニット、それを備え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セルスタックユニットは、燃料ガスが内部通路の一端側から他端側へと流れ、酸化剤ガスが外部の一端側から他端側へと流れることによって作動する燃料電池セルを含む複数の燃料電池セル部材と、
前記複数の燃料電池セル部材の上部を保持する板状の保持部材と、を備える燃料電池セルスタックユニットであって、
前記複数の燃料電池セル部材それぞれは前記保持部材に対して密着固定され、
前記複数の燃料電池セル部材それぞれの先端において燃料ガスが燃焼する燃焼部を有し、
前記保持部材を複数備え、前記保持部材は離間配置されることを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。

本発明では、保持部材を離間配置することにより、酸化剤ガスを燃焼部へ導く酸化剤ガス導入部が形成され、複数の燃料電池セル部材において発電反応に寄与しなかった残余の酸化剤ガスを燃料電池セル部材の他端側へと導入することができるので、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスを確実に燃焼させて排出することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットでは、前記複数の燃料電池セル部材それぞれの他端側が前記保持部材を貫通していることも好ましい。このように、複数の燃料電池セルそれぞれの他端側が保持部材を貫通しているので、燃料電池セルを通過した燃料ガスを確実に保持部材の裏側へと通過させて燃焼させることが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットでは、前記保持部材には前記複数の燃料電池セル部材それぞれが貫通する複数の貫通穴が形成されており、前記複数の燃料電池セル部材それぞれは、前記複数の貫通穴それぞれに対して直接密着して固定されていることも好ましい。

この態様によれば、燃料電池セル部材と保持部材の貫通穴とが直接密着して固定されているので、部材点数を増やさずにより簡単な構成で、燃料電池セル部材と保持部材とを密着固定することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットでは、前記保持部材には前記複数の燃料電池セル部材それぞれが貫通する複数の貫通穴が形成されており、前記複数の燃料電池セル部材それぞれと前記複数の貫通穴それぞれとの間には、前記燃料電池セル部材と前記貫通穴との双方に密着して固定する密着固定部材が配置されていることも好ましい。

この態様によれば、複数の燃料電池セル部材それぞれと複数の貫通穴それぞれとの間には、燃料電池セル部材と前記貫通穴との双方に密着して固定する密着固定部材が配置されているので、例えば燃料電池セル部材の外径に対して貫通穴を大きめに形成したとしても、密着固定部材によって確実に密着して固定することができる。従って、燃料電池セル部材や保持部材の寸法精度を必要以上に高めることなく、確実に燃料電池セル部材と保持部材とを密着固定することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットでは、前記酸化剤ガス導入部は、前記保持部材を前記ガスタンク側の主面から裏面へと貫通する穴を含み、前記穴は、互いに隣接する前記燃料電池セル部材の間に設けられていることも好ましい。

この態様によれば、酸化剤ガス導入部として保持部材を貫通する穴を含んであり、この穴を隣接する燃料電池セル部材の間に設けているので、簡単な構成で各燃料電池セル部材の他端側に残余の酸化剤ガスを供給することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットでは、前記酸化剤ガス導入部は、前記保持部材を前記ガスタンク側の主面から裏面へと貫通するスリットを含み、前記複数の燃料電池セル部材は行列配置されており、前記スリットは、互いに隣接する前記燃料電池セル部材の間であって、行列配置の行方向若しくは列方向に沿って設けられていることも好ましい。

この態様によれば、酸化剤ガス導入部として保持部材を貫通するスリットを含んでおり、このスリットを隣接する燃料電池セル部材の間であって、行列配置の行方向若しくは列方向に沿って設けているので、連なって配置されている燃料電池セル部材それぞれの他端側に残余の酸化剤ガスを供給することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットを備える燃料電池モジュールでは、上述したような作用効果を奏する燃料電池モジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態である燃料電池モジュールＦＣを示す斜視図であって、カバー部材を取り外した状態を示す図である。図２は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ａ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。図３は、燃料電池モジュールＦＣの断面図であって、図１の矢印Ｂ方向において、燃料電池モジュールＦＣの中央近傍における断面図である。尚、図２及び図３においては、断面のハッチングを省略している。

カバー部材（図１，３に明示しない。図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示しない）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室１７である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。

仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂが形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排気ガス室１７へと導入される。

仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、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の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。

ここで、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル部材）について、図４を参照しながら説明する。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。

内側の電極層４４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。電解質層４６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。外側の電極層４８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。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極露出周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。

内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック４００について、図５を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通穴（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。尚、燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ，４２ｂと上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂの貫通穴との間には、双方を密着固定させるための密着固定部材を介在させることも好ましい。密着固定部材は、例えば、ガラス、ロウ材、セラミックスなどが挙げられる。ガラスやロウ材は溶解することで密着固定することができ、セラミックスは焼結させることで密着固定することができる。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、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や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。

図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。

なお、図３に示すように、セルスタック４００の上支持板４００ａはそれぞれが離間配置されており、２枚の上支持板４００ａの間に離間部３００が形成されている。ここで、離間部とは、セルスタック４００の上支持板４００ａの右辺と、その右側に配置されたセルスタック４００の上支持板４００ａの左辺との間に形成される隙間のことである。

なお、セルスタック４００の上支持板４００ａを離間配置し、離間部３００が形成されることにより、酸化剤ガス導入部として機能し、複数の燃料電池セル部材において発電反応に寄与しなかった残余の酸化剤ガスを燃料電池セル部材の他端側へと導入することができるので、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスを確実に燃焼させて排出することが可能となる。

また、燃料電池セルスタック４００を構成する上支持板４００ａには、燃料電池セル４（燃料電池セルユニット３０）において発電反応に寄与しなかった酸化剤ガスとしての空気を通過させるための穴４００ａｂ（酸化剤ガス導入部）が設けられている。

ここで、図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣの説明を続ける。本実施形態では、燃料電池セルスタック４００の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃと配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック４００と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。

配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。

図１〜３には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気との比率を変更可能なように構成されている。

改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。

本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ（酸化剤ガス流路部材）と、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。

空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａ（酸化剤ガス供給管）が繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。

空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。

空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７１１、第二室７１２、第三室７１３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７１１に流れ込んだ後、第二室７１２に流れ込み、その後第三室７１３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７２１、第二室７２２、第三室７２３として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室７２１に流れ込んだ後、第二室７２２に流れ込み、その後第三室７２３に流れ込む。

第三室７１３，７２３にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７１３ａ，７２３ａが形成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａは、燃料電池セルスタック４００が連設されている方向に、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。

空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇し、上支持板４００ａの隙間に形成された離間部３００及び、上述した上支持板４００ａに設けられた穴４００ａｂを通って燃焼部１８に至る。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７２４から燃焼部１８に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。

ここで、燃料電池セル４近傍のガスの流れについて、図６を参照しながら説明する。図６は、燃料電池セル４及び燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０近傍を模式的に示した図である。図６においては、各部材を簡略的に示しているため、既に参照した図面とは形状が異なっている場合もある。図６に示すように、ガスタンク３には、下支持板４００ｂを介して燃料電池セルユニット３０が立設されている。下支持板４００ｂと各燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０（又は外側電極端子４２）との間には集電部材としての接続部材４００ｃ又は外部端子４００ｄが配置されている。ガスタンク３に流れ込んだ燃料ガスは、各燃料電池セル４内の貫通流路（図６においては明示しない）に流れ込み、上方へと流れていく。

各燃料電池セルユニット３０に跨るように、上支持板４００ａが戴置されている。上支持板４００ａと各燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０（又は外側電極端子４２）との間には集電部材としての接続部材４００ｃが配置されている。図６に示すように、燃料電池セルユニット３０の他端側である上端側が保持部材としての上支持板４００ａを貫通し、その貫通部分において複数の燃料電池セルユニット３０それぞれは上支持板４０００ａに対して嵌合されることで密着固定されている。上述したように燃料ガスは燃料電池セル４内の貫通流路に流れ込んで上支持板４００ａ側へと流れて行き、各燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０（又は外側電極端子４２）の先端部分から発電反応に寄与しなかった燃料ガスが排出される。一方、酸化剤ガスとしての空気は、各燃料電池セルユニット３０の外側を下方から上方へと流れて行き、発電反応に寄与しなかった空気は、離間部３００及び、穴４００ａｂから排出される。離間部３００は、２枚の上支持板４００ａが離間配置されることにより形成され、上支持板４００ａの主面（ガスタンク３に向かう面）から、裏面（ガスタンク３に向かう面とは反対側の面）へと空気を流すことができるので、空気は各燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０（又は外側電極端子４２）の先端部分へと吹き出され、良好な燃焼が行われる。また、穴４００ａｂは、隣接する燃料電池セルユニット３０の間に設けられ、上支持板４００ａの主面（ガスタンク３に向かう面）から、裏面（ガスタンク３に向かう面とは反対側の面）へと貫通しているので、空気は各燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０（又は外側電極端子４２）の先端部分近傍へと吹き出され、良好な燃焼が行われる。

上述した例では、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４の一端に内側電極端子４０を、他端に外側電極端子４２を取り付ける態様を採用している。電気接続の都合から、各燃料電池セルユニット３０は内側電極端子４０が取り付けられている側と、外側電極端子４２が取り付けられている側とが交互になるように配置されている。しかしながら、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０の形成態様は上述したものに限られない。例えば、内側電極端子４０及び外側電極端子４２のようなキャップ形状の端子ではなく、燃料電池セル４の一方に電極端子を一対設け、一方を外側電極として、他方を内側電極とする態様も採用可能である。この場合、図７に示すように、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０ａの上側の端部には電極等が取り付けられていないため、上支持板４００ａに対して、燃料電池セル４が直接当接して取り付けられている。この場合であっても、上述したような燃料ガス及び空気の流れには何ら変わるところがなく、燃料電池セル４の外側を流れる酸化剤ガスとしての空気は、穴４００ａｂを通って燃料電池セル４の先端部分に近傍へと吹き出され、良好な燃焼が行われる。

図８に、上支持板の例を示す。図８に示すように燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）は、図中ｘ方向（列方向）及び図中ｙ方向（行方向）に行列配置されている。離間部３００はｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ２〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれの間に形成されている。従って、離間部３００は、上支持板５００ａの長辺に沿って形成されている。なお、離間部とは、セルスタックの上支持板５００ａの右辺と、その右側に配置されたセルスタックの上支持板５００ａの左辺との間に形成される隙間のことである。

図９に、上支持板５００ａに穴５００ａｂを設ける態様の第一例を示す。図９に示すように、燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）は、図中ｘ方向（列方向）及び図中ｙ方向（行方向）に行列配置されている。穴５００ａｂは、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８それぞれの間であって、ｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ１〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれの間に形成されている。

図１０に、上支持板５００ａに穴５００ａｂを設ける態様の第二例を示す。図１０に示すように、燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）は、図中ｘ方向（列方向）及び図中ｙ方向（行方向）に行列配置されている。穴５００ａｂは、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８それぞれに沿って、ｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ１〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれの間に形成されている。

図１１に、上支持板５００ａに穴５００ａｂを設ける態様の第三例を示す。図１１に示すように、燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）は、図中ｘ方向（列方向）及び図中ｙ方向（行方向）に行列配置されている。穴４００ａｂは、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８それぞれの間であって、ｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ１〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれに沿った位置に形成されている。また、穴５００ａｂは、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８それぞれに沿って、ｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ１〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれの間に形成されている。

図１２に、上支持板５００ａにスリット５００ａｄを設ける態様を示す。図１２に示すように、燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）は、図中ｘ方向（列方向）及び図中ｙ方向（行方向）に行列配置されている。スリット５００ａｄは、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８に渡って沿うように、ｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ１〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれの間に形成されている。従って、スリット５００ａｄは、上支持板５００ａの長辺に沿って形成されている。

図１３に、上支持板５００ａにスリット５００ａｄに加えてスリット５００ａｅを設ける態様を示す。図１３に示すように、燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）は、図中ｘ方向（列方向）及び図中ｙ方向（行方向）に行列配置されている。スリット５００ａｄは、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８に渡って沿うように、ｙ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各行Ｌｙ１〜Ｌｙ４（実際には２×１０行配置であるが、図示の都合上、一部を省略している）それぞれの間に形成されている。従って、スリット５００ａｄは、上支持板５００ａの短辺に沿って形成されている。更に、スリット５００ａｅを、ｘ方向における燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の各列Ｌｘ１〜Ｌｘ８の間であって、各スリット５００ａｄと交差するように設けている。

カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 燃料電池セルユニットを説明するための図である。 燃料電池セルスタックを説明するための図である。 燃料電池セル近傍のガスの流れを説明するための図である。 燃料電池セルユニットの支持態様の別例を示す図である。 上支持板を離間配置し、離間部を形成する例を示す図である。 上支持板に穴を形成する第一例を示す図である。 上支持板に穴を形成する第二例を示す図である。 上支持板に穴を形成する第三例を示す図である。 上支持板にスリットを形成する第一例を示す図である。 上支持板にスリットを形成する第二例を示す図である。

符号の説明

２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：被改質ガス供給管
６Ｂ：水蒸気供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
１３，１４：電極棒
１５：板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１６：発電室
１７：排気ガス室
１８：燃焼部
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：貫通流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
７１：空気流路外壁
７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ：空気流路管
７６ａａ，７６ｂａ，７７ａａ，７７ｂａ：下面
７８：外壁
７９：外壁
８０，８１：移行板
８２，８３：移行ブロック
８４：移行板
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
４００ｃ：接続部材
４００ｄ：外部端子
７１１：第一室
７１２：第二室
７１３：第三室
７１３ａ，７２３ａ：空気流入孔
７２１：第一室
７２２：第二室
７２３：第三室
７２４：点火装置挿入穴
ＦＣ：燃料電池モジュール

Claims (6)

1. 燃料ガスが内部通路の一端側から他端側へと流れ、酸化剤ガスが外部の一端側から他端側へと流れることによって作動する燃料電池セルを含む複数の燃料電池セル部材と、
   前記複数の燃料電池セル部材の上部を保持する板状の保持部材と、を備える燃料電池セルスタックユニットであって、
   前記複数の燃料電池セル部材それぞれは前記保持部材に対して密着固定され、
   前記複数の燃料電池セル部材それぞれの先端において燃料ガスが燃焼する燃焼部を有し、
   前記保持部材を複数備え、前記保持部材は離間配置されることを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。
2. 前記保持部材には前記複数の燃料電池セル部材それぞれが貫通する複数の貫通穴が形成されており、
   前記複数の燃料電池セル部材それぞれは、前記複数の貫通穴それぞれに対して直接密着して固定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタックユニット。
3. 前記保持部材には前記複数の燃料電池セル部材それぞれが貫通する複数の貫通穴が形成されており、
   前記複数の燃料電池セル部材それぞれと前記複数の貫通穴それぞれとの間には、前記燃料電池セル部材と前記貫通穴との双方に密着して固定する密着固定部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタックユニット。
4. 前記酸化剤ガス導入部は、前記保持部材を前記ガスタンク側の主面から裏面へと貫通する穴を含み、
   前記穴は、互いに隣接する前記燃料電池セル部材の間に設けら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セルスタックユニット。
5. 前記酸化剤ガス導入部は、前記保持部材を前記ガスタンク側の主面から裏面へと貫通するスリットを含み、
   前記複数の燃料電池セル部材は行列配置されており、
   前記スリットは、互いに隣接する前記燃料電池セル部材の間であって、行列配置の行方向若しくは列方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルスタックユニット。
6. 請求項１〜５の燃料電池セルスタックユニットを備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
   

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