JP2010129270A - 燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの破損を抑制可能な、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置を提供する。
【解決手段】
柱状の燃料電池セル３を集電部材４ａ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燃料電池セルスタック２と、燃料電池セル３の配列方向における両端に、端部集電部材４ｂを介して燃料電池セルスタック２を挟持するように配置された導電部材５と、燃料電池セル３の下端部および導電部材５の下端部を固定するとともに燃料電池セル３に反応ガスを供給するためのマニホールド７とを具備する燃料電池セルスタック装置１であって、導電部材５は、複数の板状部２２と、板状部２２よりも短い幅を有し複数の板状部２２をそれぞれ燃料電池セル３の長手方向に連結する複数の連結部２３とを備えるとともに、端部集電部材４ｂに接合されていることから、信頼性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。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数個の柱状の燃料電池セルを一列に立設させた状態で配列して電気的に接続してなる燃料電池セルスタックを含む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および燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である。）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルの複数個を立設して配列してなる燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池装置においては、複数個の燃料電池セルを集電部材を介して立設させた状態で配列するとともに、その配列方向の両端部に端部集電部材を介して導電部材を配置し、この状態で燃料電池セルに燃料ガス等を供給するためのマニホールドに燃料電池セルの下端部と導電部材の下端部とが固定され、燃料電池セルスタック装置が構成されている。それにより燃料電池セルが電気的に直列に接続される。

図１０は、従来の燃料電池セルスタック装置７１を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置７１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７１の点線枠で囲った部分の一部拡大平面図である。この燃料電池セルスタック装置７１は、複数個のガス流路８３を有する柱状の燃料電池セル７３を集電部材７４ａを介して立設させた状態で配列するとともに、その燃料電池セル７３の配列方向の両端部に端部集電部材７４ｂを介して導電部材７５を配置し、この状態で燃料電池セル７３および導電部材７５の下端部が反応ガス（燃料ガス等）を供給するためのマニホールド７７に固定されている。

図１１は、図１０で示した従来の燃料電池セルスタック装置７１を構成する導電部材７５を抜粋して示す斜視図である。導電部材７５は、平板部８５とその両側縁から屈曲した一対の側板部８６とを具備して形成されている。なお、符号７６は電流引出し部である。
特開２００３−３０８８５７号公報

ところで、上述したような燃料電池セルスタック装置７１において、各燃料電池セル７３が変形（反り）することがある。そして、そのような変形（反り）が生じることにより燃料電池セル７３に応力が生じることとなるが、複数個の柱状の燃料電池セル７３を立設させた状態で配列してなる燃料電池セルスタック７２においては、燃料電池セル７３の変形（反り）方向における端部の燃料電池セル７３に特に強い応力が生じ、燃料電池セル７３が破損するおそれがある。

ここで、導電部材として図１１で示したような導電部材７５を用いる場合においては、導電部材７５の剛性が大きく変形し難いことから、燃料電池セル７３の配列方向における端部に位置する燃料電池セル７３が破損するおそれがある。

また、燃料電池セル７３の変形（反り）に伴い端部集電部材７４ｂが、導電部材７５から剥離する場合があり、燃料電池装置７１の出力が低下するおそれがあった。

さらに、燃料電池セルスタック装置７１の発電効率を向上させるとともに、燃料電池セル７３の変形に伴う破損や端部集電部材７４ｂの剥離を抑制する場合において、集電部材７４ａと端部集電部材７４ｂを異なる形状のものを用いる必要が生じる場合があり、燃料電池セルスタック装置７１の製造工程が煩雑となるおそれがあった。

それゆえ、本発明の目的は、燃料電池セルスタックの両端に燃料電池セルの変形（反り）に柔軟に追従して変形することができる弾性変形可能な導電部材を配置することにより、燃料電池セルの破損を抑制することが可能な導電部材を具備する信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置を提供するとともに、燃料電池セルスタックを収納してなる燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、柱状の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燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルに接合された端部集電部材を介して前記燃料電池セルスタックを挟持するように配置された導電部材と、前記燃料電池セルの下端部および前記導電部材の下端部を固定するとともに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具備する燃料電池セルスタック装置であって、前記導電部材は、複数の板状部と、該板状部よりも短い幅を有し前記複数の板状部をそれぞれ前記燃料電池セルの長手方向に連結する複数の連結部とを備えるとともに、前記端部集電部材に接合されていることを特徴とする。

このような燃料電池セルスタック装置においては、導電部材が、複数の板状部と、それぞれの板状部を燃料電池セルの長手方向に連結するための複数の板状部よりも短い幅を有する連結部とを備えることから、導電部材の剛性を下げることができ、導電部材が燃料電池セルの変形（反り）に対して、柔軟に追従して変形することができる。

それにより、燃料電池セルスタックの端部側に位置する燃料電池セルに生じる応力を緩和することができることから、燃料電池セルの破損を抑制することができるとともに、端部集電部材の剥離を抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置とすることができ、発電性能の低下を抑制することができる。

また、導電部材が燃料電池セルの変形（反り）に対して、柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セル間に配置される集電部材と、燃料電池セルスタックの両端に配置される端部集電部材とを、同じ形状の集電部材（集電効率のよい集電部材）とすることができ、燃料電池セルスタック装置の製造工程を容易にすることができるとともに、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、前記導電部材は、左右対称の形状であることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、導電部材が左右対称の形状であることにより、導電部材において左右対称に電流が流れることとなり電流集中を抑制することができる。ここで、燃料電池セルの一部に電流が集中すると、その電流が集中した部位の劣化が早まるおそれがある。それゆえ、導電部材を左右対称の形状とすることで、燃料電池セルの一部に電流が集中することを抑制することが可能となり、燃料電池セルの劣化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、前記複数の連結部は、前記燃料電池セルの長手方向における長さに比べ前記燃料電池セルの幅方向における長さが長く、かつ前記燃料電池セルの上方に向かうにつれて前記連結部の前記燃料電池セルの幅方向における長さが短くなっていることが好ましい。

ここで、燃料電池セルの下端部がマニホールドに固定されていることにより、燃料電池セルの上端部側の変形（反り）が下端部に比べ大きくなる場合がある。ここで、連結部の形状を、燃料電池セルの長手方向における長さに比べ燃料電池セルの幅方向における長さが長く、かつ燃料電池セルの幅方向における長さが燃料電池セルの上方に向かうにつれて連結部の燃料電池セルの幅方向における長さが短くなっていることで、燃料電池セルの変形（反り）が大きい上端部において、導電部材がより柔軟に追従して変形することができる。それにより、燃料電池セルの破損を抑制することができ、信頼性が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において、前記複数の板状部は、前記燃料電池セルの幅方向における長さが一定または前記燃料電池セルの上方に向かうにつれて短くなっており、かつ前記燃料電池セルの長手方向における長さが前記燃料電池セルの上方に向かうにつれて短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、燃料電池セルの変形（反り）による燃料電池セルの変形（反り）が大きい上端部側においても、導電部材が柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セルの破損を抑制することができ、信頼性が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。

本発明の燃料電池モジュールは、上記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とから、信頼性の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と、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケースに収納してなることを特徴とすることから、信頼性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、柱状の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燃料電池セルスタックを、端部集電部材を介して弾性変形可能な導電部材により挟持するとともに、燃料電池セルの下端部と導電部材の下端部とが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に固定され、かつ導電部材は、複数の板状部と、板状部よりも短い幅を有し複数の板状部をそれぞれ燃料電池セルの長手方向に連結する複数の連結部とを備えるとともに、端部集電部材に接合されていることから、導電部材が端部集電部材とともに燃料電池セルの反り等の変形に対して導電部材が柔軟に追従して変形することができ、燃料電池セルの破損を抑制することができるとともに、端部集電部材の剥離を抑制することができ、信頼性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、この燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納することで、信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができ、さらにこの燃料電池モジュールを外装ケース内に収納することで、信頼性が向上した燃料電池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１の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セルスタック装置１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にて示している。

ここで、燃料電池セルスタック装置１は、互いに平行な平坦面をもつ柱状の導電性支持体１２（以下、支持体１２と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に内側電極層としての燃料側電極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての酸素側電極層１０とを順に積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３の複数個を立設するとともに、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４ａを介して電気的に直列に接続して燃料電池セルスタック２を形成し、燃料電池セル３の下端部を、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド７に固定して形成されている。また、燃料電池セルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）の両端から端部集電部材４ｂを介して燃料電池セルスタック２を挟持するように、マニホールド７に下端が固定された弾性変形可能な導電部材５を具備している。なお、以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料側電極層８とし、外側電極層を酸素側電極層１０として説明する。

さらに、図１に示す導電部材５においては、セル配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、燃料電池セルスタック２（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部６が設けられている。

さらに、燃料電池セル３の他方側の平坦面上にはインターコネクタ１１が設けられており、支持体１２の内部には、燃料電池セル３に燃料ガス（反応ガス）を流すためのガス流路１３が複数設けられている。

また、インターコネクタ１１の外面（上面）にはＰ型半導体層１４を設けることもでき、図１においてはＰ型半導体層１４を設けた例を示している。集電部材４ａ（端部集電部材４ｂ）を、Ｐ型半導体層１４を介してインターコネクタ１１に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

また、支持体１２を燃料側電極層８を兼ねるものとし、その一方側表面上に固体電解質層９および酸素側電極層１０を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。

なお、本発明において燃料電池セル３としては、各種燃料電池セルが知られているが、発電効率のよい燃料電池セル３とする上で、固体酸化物形燃料電池セル３とすることができる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

以下に、図１において示す燃料電池セルスタック装置１を構成する各部材について説明する。

燃料側電極層８は、一般的に公知のものを使用することができ、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（安定化ジルコニアと称し、部分安定化ジルコニアも含む）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから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、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

酸素側電極層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、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。酸素側電極層１０はガス透過性を有していることが必要であり、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から形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえ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は支持体１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３の外側を流通す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。

支持体１２としては、燃料ガスを燃料側電極層８まで透過するためにガス透過性であること、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であることが要求される。したがって、支持体１２としては、かかる要求を満足するものを材質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、柱状の支持体１２は、燃料電池セル３の立設方向に細長く延びる板状片であり、互いに平行な平坦面と半円形状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の下端と後述する導電部材５の下端とが、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド７に、例えば耐熱性に優れた接合材（ガラスシール材等）によって固定され、支持体１２に設けられたガス流路１３が、燃料ガス室（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。

ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層８または固体電解質層９との同時焼成により支持体１２を作製する場合においては、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の特定希土類酸化物とから支持体１２を形成することが好ましい。また、支持体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、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

さらに、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。

そして、燃料電池セル３は集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂを介して電気的に直列に接続される。なお、集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂ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る。

図２は、本発明の燃料電池セルスタック装置１において、燃料電池セル３間を電気的に接続するための集電部材４ａの一例を示したものである。図２に示した集電部材４ａは、隣接する一方の燃料電池セル３の酸素側電極層１０に当接する一方の接触部１６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１６と、これら一対の接触部１６の両端同士をそれぞれ接合する接続部１７とを基本構成の集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１７間に渡された複数の帯状をした接触部１６を、図２（ｂ）に示すように、接続部１７に対して交互に（紙面に対して上下方向）に折り曲げて集電片を構成し、この集電片の複数個を、導電性連結片１９を介して燃料電池セル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の長手方向に延在する一繋がりの集電部材４ａを形成している。

このような集電部材４ａは、集電効率のよい集電部材（すなわち、燃料電池セル３との接触面積が多い集電部材）であるため、本発明の燃料電池セルスタック装置１において有用となる。

ところで、上述したような燃料電池セル３を用いて構成される燃料電池セルスタック装置１においては、燃料電池セルスタック装置１の運転に伴い、燃料電池セル３が酸素側電極層１０側に向かうにつれて屈曲する（反る）変形を生じる場合がある。さらに、燃料電池セル３の作製時に、支持体１２や燃料側電極層８に含むことができるＮｉＯを利用して大気雰囲気にて焼成した場合に、予め還元処理を施す処理を行なう必要があるが、この際に、酸素側電極層１０とインターコネクタ１１との還元状態の違いにより、これらの変化量に差が生じ、燃料電池セル３に反りを生じる場合がある。

ここで、燃料電池セル３に反りが生じる場合において、燃料電池セル３を配列方向の両端から挟持するように配置された導電部材５の剛性が大きい場合には、導電部材５が燃料電池セル３の反りに柔軟に追従して変形することができず、燃料電池セル３の下端部（マニホールド７側）において特に強い応力が生じる場合がある。この場合に、燃料電池セル３の下端部（マニホールド７側）で割れ等の破損を生じるおそれがある。また、端部集電部材４ｂが導電部材５から剥離するおそれもある。

また、燃料電池セルスタック装置において集電効率のよい集電部材を用いる場合において、集電効率のよい集電部材（燃料電池セル３との接触面積が多い集電部材）はその剛性が高いため、端部集電部材４ｂが導電部材５から剥離しやすくなる。それゆえ、端部集電部材４ｂを剛性の低い集電部材を用いることにより、端部集電部材４ｂが導電部材５から剥離することを抑制することも考えられるが、この場合においては、集電部材４ａと端部集電部材４ｂとが異なる形状の集電部材となることから、燃料電池セルスタック装置１の製造工程が煩雑となる。

図３は、本発明の燃料電池セルスタック装置１を構成する導電部材５の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材２１の斜視図、（ｂ）は導電部材２１の正面図である。

導電部材２１は、燃料電池セル３の発電により生じる電流を集電するために導電性であることが必要であり、例えば、ステンレス等にて形成することができる。なお、必要に応じて耐熱性の皮膜を形成したものを利用することもできる。

導電部材２１は、複数個の板状部２２と、それぞれの板状部２２を燃料電池セル３の長手方向（以下、セル長手方向と略す場合がある。）に連結するための連結部２３と、燃料電池セルスタック２の発電により生じる電流を引出すためのセル配列方向の外側へ向けて延びる電流引出し部２４とを備え、板状部２２と連結部２３のうち、電流引出し部２４が延びる方向と反対側の面の全面（すなわち燃料電池セル３側の面の全面）が端部集電部材４ｂに接合されている。それにより、燃料電池セルスタック２を構成する各燃料電池セル３で発電された電流を、集電部材４ａ、端部集電部材４ｂを介して、電流引出し部２４より引出すことができる。

また、導電部材２１はその下端部が、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に固定されている。具体的には、導電部材２１を構成する板状部２２のうち、下端側に位置する板状部２２（より好ましくは下端に位置する板状部２２（以下、下端に位置する板状部２２を下端板状部２５と略す場合がある。）の少なくとも一部）がマニホールド７に固定されていることが好ましい。

また、電流引出し部２４は燃料電池セル３の形状等により適宜設定することができるが、効率よく電流を引出す上で、導電部材２１の下端側に位置する板状部（より好ましくは、下端板状部２５）に設けることが好ましい。ここで、導電部材２１をマニホールドに固定するにあたり、電流引出し部２４がマニホールド７に接触しないよう、板状部２２（下端板状部２５）のうち、電流引出し部２４の接続部よりも下方側の部位をマニホールド７に固定することが好ましい。なお電流引出し部２４を、板状部２２（下端板状部２５）の一部を折り曲げて作製する場合においては、接続部とは折り曲げ部を意味する。また、板状部２２（下端板状部２５）をマニホールド７に固定するにあたり、電流引出し部２４の接続部よりも下方側の部位において、下端板状部２５の両側縁から屈曲した側板部を設けることもできる。

また、導電部材２１における上下方向の長さとしては、燃料電池セル３に生じる応力を効果的に緩和するとともに、燃料電池セル３の発電により生じた電流を効率よく集電するために、マニホールド７に固定された状態で、燃料電池セル３の上端と同じ高さまたはそれ以上の高さとなるようにするのが好ましい。また、導電部材２１の幅としては、燃料電池セル３の幅（より詳細には、酸素側電極層１０またはインターコネクタ１１の幅の短い方と同じ幅）、もしくはそれ以上の幅とするのが好ましい。

ここで、図３に示した導電部材２１は、板状部２２とそれぞれの板状部２２をセル長手方向に連結する連結部２３を備え、かつ連結部２３の燃料電池セル３の幅方向（以下、セル幅方向と略す場合がある。）における長さＷ_１が、板状部２２のセル幅方向における長さＷ_２よりも短く構成されている。それにより連結部２３は板状部２２に比べセル幅方向の長さが短いため、連結部２３を基点として導電部材２１が屈曲しやすくなる。それにより、導電部材２１の剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従することが可能となる。それに伴い、燃料電池セル３に生じる応力を緩和することができるため、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。それゆえ、信頼性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。

また、導電部材２１が燃料電池セル３の反りに対して柔軟に追従して変形することができることから、集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂとして、剛性の高い集電部材（集電効率のよい集電部材）を用いることができ（すなわち、同じ形状の集電部材を用いることができる。）、燃料電池セルスタック装置１の製造工程を容易にするとともに、発電効率を向上することができる。なお、剛性の高い集電部材として、図１および図２に示した集電部材を例示することができ、剛性の低い集電部材として図１０に示した集電部材を例示することができるが、集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂはこれらの形状に限定されるものではない。

また、セル長手方向において複数の連結部２３が設けられていることにより、導電部材２１が燃料電池セル３の反りに対しさらに追従して変形することができ、端部集電部材４ｂと導電部材２１との剥離を抑制することができるため、信頼性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。

また、導電部材２１を左右対称の形状とすることにより、導電部材２１に流れる電流を左右対称（均一）に近づけることができ、端部集電部材４ｂを介して接合されている燃料電池セル３の一部に電流集中が生じることを抑制することができるため、燃料電池セル３の破損を抑制することができ、信頼性が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。なお、左右対称とは、導電部材２１を燃料電池セル３の配列方向から見た場合に左右対称であることを意味する。

なお、図３においては、導電部材２１を、板状の部材の一部を燃料電池セル３の幅方向に沿って切り欠くことにより形成した例を示しているが、例えば、板状部２２と連結部２３とを別個の部材として、それぞれを溶接等により連結して形成することもできる。

図４は、本発明の燃料電池セルスタック装置１を構成する導電部材の他の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材２６の斜視図、（ｂ）は導電部材２６の正面図である。

本発明のセルスタック装置１において、燃料電池セル３の下端部がマニホールドに固定されていることから、燃料電池セル３の上端部側において変形（反り）が大きくなり、端部集電部材４ｂの上端部側が導電部材２６から剥離するおそれがある。

ここで、図４に示した導電部材２６は、それぞれの連結部２８において、セル長手方向における長さＬ_１に比べセル幅方向における長さＷ_１が長く、かつセル幅方向における長さＷ_１が燃料電池セル３の上方に向かうにつれて短くなるように構成されている。

それにより、導電部材２６の上方（上端部側）における剛性を下げることができるため、燃料電池セル３の反りにさらに柔軟に追従することが可能となり、燃料電池セル３の破損を抑制することができるとともに、端部集電部材４ｂの上端部側が導電部材２６から剥離することを抑制できる。それにより、信頼性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５は、本発明の燃料電池セルスタック装置１を構成する導電部材の他の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材３１の斜視図、（ｂ）は導電部材３１の正面図である。

ここで、図５に示した導電部材３１は、板状部３２のセル幅方向における長さＷ_２を一定とし、セル長手方向における長さＬ_２が燃料電池セル３の上方に向かうにつれて短くなるように構成されている例を示している。

それにより、導電部材３１の上方（上端部側）の剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従でき、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。また、導電部材３１を構成する各板状部３２を燃料電池セル３の上方に向かうにつれて短くなるように構成することにより、端部集電部材４ｂの上端部側が剥離することを抑制でき、信頼性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５において示した導電部材３１においては、板状部３２のセル幅方向の長さＷ_２を一定とし、セル長手方向の長さＬ_２を燃料電池セル３の上方に向かうにつれて短くする例を示したが、板状部３２のセル幅方向の長さＷ_２を燃料電池セル３の上方に向かうにつれて短くすることもできる。その場合にも、導電部材３１の上端部側の剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りにより柔軟に追従することができる。

また、板状部３２の燃料電池セル３の長手方向における長さＬ_２を燃料電池セル３の上方に向かうにつれて短くすると同時に、燃料電池セル３の上方に向かうにつれて連結部３３のセル長手方向における長さＬ_１を長くする構成とするほか、セル幅方向の長さＷ_１を短くするように構成してもよい。この場合においても、導電部材３１の上方における剛性をより下げることができ、さらに燃料電池セル３の反りに柔軟に追従することができる。なお、板状部３２と連結部３３の形状は、集電効率を踏まえ適宜設定することができる。

図６は、本発明の燃料電池セルスタック装置１を構成する導電部材の他の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材３６の斜視図、（ｂ）は導電部材３６の正面図である。なお図６（ｂ）においては連結部３８を模式的に示している。

ここで、図６に示した導電部材３６においては、それぞれの板状部３７同士を一対の連結部３８で連結するように構成されている。それにより、導電部材３６の剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従でき、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。

なお、図６に示した形状の導電部材３６においても、板状の部材の一部を切り欠いて形成するほか、板状部３７と連結部３８とを別個の部材として、それぞれを溶接等により連結して形成することもできる。

図７は、本発明の燃料電池セルスタック装置１を構成する導電部材の他の一例を示したものであり、導電部材４１の斜視図である。

特に固体酸化物形燃料電池セル３を用いて構成される燃料電池セルスタック装置１においては、燃料電池セル３の温度を高温に維持することにより、高い発電効率とすることができる。それゆえ、燃料電池セル３の発電により生じる輻射熱が外部に伝熱することを抑制すべく（燃料電池セルスタック２の温度が低下することを抑制すべく）、燃料電池セルスタック装置１の周囲に断熱材を配置することが好ましい。

しかしながら、上述したような導電部材を配置してなる燃料電池セルスタック装置１において、弾性変形可能な導電部材が変形する長さを想定して断熱材を配置する必要が生じ、断熱材の位置合わせが難しくなり燃料電池セルスタック装置１を収納してなる燃料電池装置の組立工程が煩雑になるおそれがある。

ここで、図７に示した導電部材４１は、それぞれの板状部４２を連結部材４３によりセル長手方向に連結してなる燃料電池セルスタック支持部材４４と、断熱材支持部材４５とから構成されている。断熱材支持部材４５は、平板部４６と、平板部４６の両方の縁から燃料電池セルスタック２側に屈曲して延びる一対の側板部４７とを備えており、側板部４７は平面視で板状部４６よりも外側に位置するように配置されている。平板部４６の両方の縁から燃料電池セルスタック２側に屈曲して延びる一対の側板部４７を具備していることから、断熱材支持部材４５（平板部４６）の剛性を高めることができる。

それにより、燃料電池セルスタック装置１の周囲（セル配列方向における端部）に断熱材を配置する場合に、断熱材の位置あわせを容易に行うことができるとともに、断熱材を強固に固定することができる。それゆえ、燃料電池セルスタック装置１を収納してなる燃料電池装置を容易に組み立てることができる。

また、断熱材支持部材４５（平板部４６）の剛性を高めることができるから、断熱材支持部材４５に近接（当接）して断熱材を配置した場合でも、断熱材支持部材４５（平板部４６）が、板状部４２側に傾いて接触することを抑制（防止）することができ、それにより燃料電池セル３に生じる応力の緩和を阻害することなく、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。

なお、図７に示した導電部材４１においては、燃料電池セルスタック支持部材４４における下端に位置する板状部４２の電流引出し部４９における接続部よりも下方側の部位のほか、側板部４７の電流引出し部４９よりも下方側の部位と、断熱材支持部材４５の平板部４６の電流引出し部４９よりも下方側の部位をマニホールド７に固定することにより、導電部材４１を安定してマニホールド７に固定することができるが、導電部材４１とマニホールド７（接合材）との接合面積を増やす目的で、燃料電池セルスタック支持部材４４における下端側に位置する板状部４２（下端板状部）の両縁側に、電流引出し部４９よりも低い位置に設けられ、断熱材支持部材４５の側板部４７と接続される一対の側板部４８を設けることもでき、図７に示した導電部材４１においては、側板部４８を設けた例を示している。それにより、導電部材４１とマニホールド７（接合材）との接合面積を増やすことができ、導電部材４１を安定してマニホールド７に固定することができる。

図８は、本発明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燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器５１の内部に、燃料ガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル５２を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル５２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燃料電池セルスタック５４を構成するとともに、燃料電池セル５２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５３に固定してなる燃料電池セルスタック装置５７を収納して構成されている。

なお、燃料電池セル５２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５５を燃料電池セルスタック５４の上方に配置している。そして、改質器５５で生成された燃料ガスは、ガス流通管５６を介してマニホールド５３に供給され、マニホールド５３を介して燃料電池セル５２の内部に設けられたガス流路に供給される。

なお、図８においては、収納容器５１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置５７および改質器５５を後方に取り出した状態を示している。ここで、図８に示した燃料電池モジュール５０においては、燃料電池セルスタック装置５７を、収納容器５１内にスライドして収納することが可能である。なお、燃料電池セルスタック装置５７は、改質器５５を含むものとしても良い。

また収納容器５１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材５８は、図８においてはマニホールド５３に並置された燃料電池セルスタック５４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５２の側方を下端部から上端部に向かうにつれて流れるように、燃料電池セル５２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５２のガス流路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５２の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル５２の温度を上昇させることができ、燃料電池セルスタック装置５７の起動を早めることができる。また、燃料電池セル５２の上端部側にて、燃料電池セル５２のガス流路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５２（燃料電池セルスタック５４）の上方に配置された改質器５５を温めることができる。それにより、改質器５５で効率よく改質反応を行うことができる。

図９は、外装ケース内に図８で示した燃料電池モジュール５０と、燃料電池モジュール５０を動作させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置６０の一例を示す分解斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示す燃料電池装置６０は、支柱６６と外装板６７から構成される外装ケース内を仕切板６８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５０を収納するモジュール収納室６４とし、下方側を燃料電池モジュール５０を動作させるための補機類を収納する補機収納室６３として構成されている。なお、補機収納室６３に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板６８には、補機収納室６３の空気をモジュール収納室６４側に流すための空気流通口６１が設けられており、モジュール収納室６４を構成する外装板６７の一部に、モジュール収納室６４内の空気を排気するための排気口６２が設けられている。

このような燃料電池装置６０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５０をモジュール収納室６４に収納し、燃料電池モジュール５０を動作させるための補機を補機収納室６３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６０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、本発明の用紙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、上述した燃料電池セルスタック装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路１３に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１３に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側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）は正面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する導電部材の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する導電部材の他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する導電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する導電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する導電部材のさらに他の一例を示す斜視図である。 本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 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。 従来の導電部材の一例を示す正面図である。

符号の説明

１，７１：燃料電池セルスタック装置
２，７２：セルスタック
３、７３：燃料電池セル
４ａ：集電部材
４ｂ：端部集電部材
５，２１，２６，３１，３６，４１，７５：導電部材
６，２４，２９，３４，３９，４９，７６：電流引出し部
７：マニホールド
２２，２７，３２，３７，４２：板状部
２３，２８，３３，３８，４３：連結部
５０：燃料電池モジュール
６０：燃料電池装置

Claims (6)

1. 柱状の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燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルに接合された端部集電部材を介して前記燃料電池セルスタックを挟持するように配置された導電部材と、前記燃料電池セルの下端部および前記導電部材の下端部を固定するとともに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具備する燃料電池セルスタック装置であって、前記導電部材は、複数の板状部と、該板状部よりも短い幅を有し前記複数の板状部をそれぞれ前記燃料電池セルの長手方向に連結する複数の連結部とを備えるとともに、前記端部集電部材に接合されていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
2. 前記導電部材は、左右対称の形状であ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. 前記複数の連結部は、前記燃料電池セルの長手方向における長さに比べ前記燃料電池セルの幅方向における長さが長く、かつ前記燃料電池セルの上方に向かうにつれて前記連結部の前記燃料電池セルの幅方向における長さが短くなっていることを特徴とする請求項１または請求項２のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
4. 前記複数の板状部は、前記燃料電池セルの幅方向における長さが一定または前記燃料電池セルの上方に向かうにつれて短くなっており、かつ前記燃料電池セルの長手方向における長さが前記燃料電池セルの上方に向かうにつれて短くなっていることを特徴とする請求項1乃至請求項３のうちいずれか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と、該燃料電池モジュールを動作させるための補機と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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