JP2011029112A - 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】集電効率が向上し、発電効率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】本発明の燃料電池セルスタック装置１は、導電部材５は、下端部がマニホールド７に固定された平板部１９と、燃料電池セルスタック２の端部に位置する燃料電池セル３に接触する集電部とを有し、集電部は、平板部１９の上下方向に所定間隔をあけて複数設けられた、燃料電池セル３の幅方向に沿って延びる帯状の集電片１６と、集電片１６の一方の端部と平板部１９とを接続する第１接続部１７と、集電片１６の他方の端部と平板部１９とを接続する第２接続部１８とを有することから、燃料電池セル３と導電部材５の集電部とが接触する面積を増加させることができ、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。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数個の柱状の燃料電池セルを立設して配列し、電気的に接続してなる燃料電池セルスタックを備え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、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柱状の燃料電池セルを複数個立設して配列し、電気的に直列に接続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モジュールや、燃料電池モジュールを具備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。）。

図１０は、従来の燃料電池セルスタック装置６１を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置６１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６１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６１は、複数個のガス流路７３を有する柱状の燃料電池セル６３を、集電部材６４ａ，６４ｂ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６３の配列方向の両端部に端部集電部材６４ｂを介して導電部材６５を配置してなる燃料電池セルスタック６２を備え、このうち燃料電池セル６３および導電部材６５の下端部を、反応ガス（燃料ガス等）を供給するためのマニホールド６７に固定することにより構成されている。

図１１は、図１０で示した従来の燃料電池セルスタック装置６１を構成する従来の集電部材６４ａ，６４ｂを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部を抜粋して示す斜視図である。集電部材６４ａ，６４ｂは、隣り合う一方の燃料電池セル６３に当接する複数の第１集電片８１と、隣り合う他方の燃料電池セル６３または導電部材６５に当接する複数の第２集電片８２と、離れて配置される第１集電片８１の一端と第２集電片８２の他端とを接続する第１導電体片８３と、離れて配置される第２集電片８２の一端と他の第１集電片８１の他端とを接続する第２導電体片８４とを基本構成とし、燃料電池セル６３の長手方向に連続的に連なって構成されている。

図１２は、図１０で示した従来の燃料電池セルスタック装置６２を構成する導電部材６５を抜粋して示す斜視図である。導電部材６５は、平板部７５とその両側縁から屈曲した一対の側板部７６とを具備している。なお、導電部材６５は、燃料電池セル６３の発電により生じる電流を外部に引き出すための電流引出し部６６を備えている。

特開２００３−３０８８５７号公報

ところで、上述のような燃料電池セルスタック装置６１における端部集電部材６４ｂは、外部に電流を引き出すために、第1集電片８１を燃料電池セル６３に当接させ、第２集電片８２を導電部材６５に当接させて電気的に接続している。

このような燃料電池セルスタック装置６１においては、端部集電部材６４ｂが、燃料電池セル６３とは第1集電片８１のみで接続されており、導電部材６５とは第２集電片８２のみで接続されているため、端部集電部材６４ｂと、燃料電池セル６３や導電部材６５との接触面積をさらに大きくすることが難しい。そのため、燃料電池セルスタック装置６１の発電により生じた電流を、効率よく外部に引出す（集電する）ことができず、燃料電池セルスタック装置６１の発電効率をさらに向上させることは難しかった。

それゆえ、本発明は、効率よく集電することができる導電部材を提供することにより発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置、およびそれを具備してな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を目的とする。

本発明の燃料電池セルスタック装置は、複数個の柱状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して電気的に直列に接続してなる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックを燃料電池セルの配列方向における両端から挟持するように配置された導電部材と、燃料電池セルの下端部を固定するとともに、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において、導電部材は、下端部がマニホールドに固定された平板部と、燃料電池セルスタックの端部に位置する燃料電池セルに接触する集電部とを有し、集電部は、平板部の上下方向に所定間隔をあけて複数設けられた、燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、集電片の一方の端部と平板部とを接続する第１接続部と、集電片の他方の端部と平板部とを接続する第２接続部とを有す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、導電部材は、下端部がマニホールドに固定された平板部と、燃料電池セルスタックの端部に位置する燃料電池セルに接触する集電部とを有し、集電部は、平板部の上下方向に所定間隔をあけて複数設けられた、燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、集電片の一方の端部と平板部とを接続する第１接続部と、集電片の他方の端部と平板部とを接続する第２接続部とを有することから、端部集電部材を設けていた場合に比べて、端部集電部材と導電部材とを接続する集電片が不要となり、燃料電池セルと導電部材の集電部とが接触する面積（集電面積）を増加させることができる。そのため、燃料電池セルスタック装置の集電効率を向上させることができ、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。

さらに、燃料電池セルスタックの一端に位置する燃料電池セルと導電部材とを端部集電部材を介さず電気的に接続することができる。それにより、従来の端部集電部材が不要となり、燃料電池セルスタック装置の製造工程を簡略化することができる。

また、このような燃料電池セルスタック装置においては、第１接続部は、集電片の一方の端部と平板部の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けられており、第２接続部は、集電片の他方の端部と平板部の幅方向における他方の端部側とを接続するよう設けられ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、第１接続部は、集電片の一方の端部と平板部の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けられて、第２接続部は、集電片の他方の端部と平板部の幅方向における他方の端部側とを接続するように設けられていることから、板状部の上下方向に複数設けられた集電片同士の間隔を狭めることができ、より多くの集電片を設けることができる。そのため、燃料電池セルと接触する集電片の面積（集電面積）を増加させることができ、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。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置においては、第１接続部は、集電片の一方の端部と平板部の幅方向における他方の端部側とを接続するように設けられており、第２接続部は、集電片の他方の端部と平板部の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けられ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、第１接続部は、集電片の一方の端部と平板部の幅方向における他方の端部側とを接続するように設けられており、第２接続部は、集電片の他方の端部と平板部の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けられていることから、集電面積を増加させることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置においては、集電片、第１接続部および第２接続部は、平板部と一体的に形成され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、集電片、第１接続部および第２接続部が、平板部と一体的に形成されていることから、導電部材を容易に作製することができる。

また、集電片と第１接続部および第２接続部との間に接合部がないため、接合部の酸化に伴う電気的な抵抗の増加を抑制することができ、燃料電池セルスタック装置の集電効率を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置においては、導電部材は、平板部の幅方向における少なくとも一方の端部に、燃料電池セルスタックと反対側に延びた側板部を有することが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、導電部材は、平板部の幅方向における少なくとも一方の端部に、燃料電池セルスタックと反対側に延びた側板部を有することから、平板部の剛性を高くすることができ、運転時や運搬時の揺れによって、燃料電池セルにかかる応力を緩和することができ、燃料電池セル（特には、端部に配置された燃料電池セルの下端部）の破損を抑制することができる。

さらに、導電部材（平板部）の剛性を高くできることから、導電部材の変形を抑制することができ、導電部材のハンドリング性を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置においては、導電部材と所定の間隔をあけて配置されており、下端部がマニホールドに固定された板状部と、板状部の幅方向における両端から燃料電池セルスタック側に延びる一対の側部とを有する導電部材保持用部材を備えるとともに、平面視したときに導電部材が、導電部材保持用部材の一対の側部間に配置され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、導電部材と所定の間隔をあけて配置されており、下端部がマニホールドに固定された板状部と、板状部の幅方向における両端から燃料電池セルスタック側に延びる一対の側部とを有する導電部材保持用部材を備えるとともに、平面視したときに導電部材が、導電部材保持用部材の一対の側部間に配置されていることから、運転時や運搬時の揺れによって、燃料電池セルにかかる応力を緩和することができ、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

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、発電効率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、発電効率の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、複数個の柱状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して電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックを燃料電池セルの配列方向における両端から挟持するように配置された導電部材と、燃料電池セルの下端部を固定するとともに、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において、導電部材は、下端部がマニホールドに固定された平板部と、燃料電池セルスタックの端部に位置する燃料電池セルに接触する集電部とを有し、集電部は、平板部の上下方向に所定間隔をあけて複数設けたれた、燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、集電片の一方側の端部と平板部とを接続する第１接続部と、集電片の他方側の端部と平板部とを接続する第２接続部とを有することから、燃料電池セルと導電部材の集電部とが接触する面積（集電面積）を増加させることができる。そのため、燃料電池セルスタック装置の集電効率を向上させることができ、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、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、発電効率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と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することで、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て示す平面図である。 図１における導電部材を示し、（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導電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。 図５に示す導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導電部材および導電部材保持用部材を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 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。 図１０で示す従来の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部を抜粋して示す斜視図である。 従来の導電部材の一例を示す斜視図である。

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の一部を拡大した平面図であり、（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、一対の対向する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、それぞれの燃料電池セル３間に集電部材４を介して立設させた状態で配列して、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に固定して構成されている。なお、燃料側電極層８、固体電解質層９および酸素側電極層１０をこの順に積層された部位（以下、発電部と略す場合がある。）において、燃料電池セル３は発電する。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。

また、燃料電池セルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向の両端から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導電部材５を具備している。

図１に示す導電部材５においては、燃料電池セル３の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、耐還元性およ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、一対の対向する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の下端部と後述する導電部材５（板状部２２）の下端部とが、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、マニホールド７内の燃料ガス室（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、それぞれの燃料電池セル３は集電部材４を介して電気的に直列に接続される。なお、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な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。

また、燃料電池装置の発電中に、高温な酸化雰囲気に曝されることから、Ｃｒを含有する合金を用いて作製することが好ましい。さらに、集電部材４の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有するペロブスカイト形酸化物等を用いてコーティングすることが好ましい。

なお、集電部材４の長手方向の長さおよび幅方向の長さは発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることが好ましい。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。

図２は、図１における導電部材５を抜粋して示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。

導電部材５は、板部材からなる平板部１９と、燃料電池セル３の幅方向に沿った帯状の集電片１６と、集電片１６の一方の端部と平板部１９の一方の端部側とを接続する第１接続部１７と、集電片１６の他方の端部と平板部１９の他方の端部側とを接続する第２接続部１８とを基本構成として、平板部１９の上下方向に複数設けてなる集電部とを備える。すなわち、本発明の燃料電池セルスタック装置１においては、従来の燃料電池セルスタック装置６１における端部集電部材６４ｂが不要となる。なお、平板部１９の下端部側には外部に電流を取り出すための電流引出し部１５が設けられている。

それにより、端部集電部材４ｂと導電部材５との接合部を設ける必要がなくなり、従来の端部集電部材６４ｂに比べ、集電面積（燃料電池セル３と接触する集電部の面積）を増加させることができ、燃料電池セルスタック装置１の発電効率を向上させることができる。

また、端部集電部材４ｂを設ける必要がないことから、燃料電池セルスタック装置１を構成する部材を減らすことができ、燃料電池セルスタック装置１の製造工程を簡略化することができる。

なお、第１接続部１７および第２接続部１８の集電片１６と接合されていない側の端部は、平板部１８の幅方向における端部側にそれぞれ接続されるが、下方に設けられた電流引出し部１５から電流を引出すため、平板部１９の両端より内側に接続することが好ましい。それにより、平板部１９における第１接続部１７および第２接続部１８と接続している外側の部位も電流を下方に流すリード部となるため、効率よく集電することができる。

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側に向けて屈曲する変形（反り）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、導電性のあるＮｉに還元する還元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との熱膨張係数の違いにより、これらの変化量に差が生じ、燃料電池セル３が反りを生じる場合がある。

また、燃料電池セル３は、燃料電池セルスタック装置１の発電や上記還元処理において、燃料電池セル３の上下方向（下端がマニホールド７に固定されているため特には上方向）に伸びる変形（伸び）が生じる場合がある。

従来の燃料電池セルスタック装置６１（図１０参照）において、導電部材６５の剛性が高い場合には、燃料電池セル６３に反りや伸びといった変形が生じると、端部集電部材６４ｂが、燃料電池セル６３や導電部材６５から剥離するおそれがある。あわせて、導電部材６５が燃料電池セル６３の反りや伸びに柔軟に追従して変形することができず、燃料電池セル６３の下端部（マニホールド６７側）に強い応力が生じ、燃料電池セル６３の下端部（マニホールド６７側）で割れ等の破損を生じるおそれがある。それにより、燃料電池セルスタック装置６１の発電出力が低下するおそれがある。

しかし、導電部材５においては、従来の端部集電部材６４ｂに相当する集電部を導電部材５に一体的に設けたことから、燃料電池セルに反りまたは伸びが生じた場合においても、端部集電部材６４ｂと導電部材６５とが剥離することを抑制することができる。それにより、燃料電池セルスタック装置の信頼性を向上することができる。

なお、導電部材５は、ステンレス等の合金や導電性セラミックス等により作製することができるが、導電率および高温な酸化雰囲気に曝されることからクロムを含有する合金を用いて作製することが好ましい。クロムを含有する合金を用いて導電部材５を作製した場合には、導電部材５の表面の一部、好ましくは全体を、希土類元素を含有するペロブスカイト形酸化物等を用いてコーティングすることが好ましい。

ここで、合金等を用いて作製された導電部材５は、燃料電池セルスタック装置１の運転時において高温な酸化雰囲気に曝されることから、合金等の表面に導電率の低い酸化被膜の層が形成される、それに伴い、燃料電池セルスタック装置１の発電効率が低下するおそれがある。特に、端部集電部材６４ｂと導電部材６５との接合面に酸化被膜の層が形成された場合に、燃料電池セルスタック装置１の発電効率が低下するおそれがある。

しかし、本発明の燃料電池セルスタック装置１における導電部材５は、従来の燃料電池セルスタック装置６１における端部集電部材６４ｂと導電部材６５とが一体的に形成された構成となっている、それにより、集電部と平板部１９の間に酸化被膜の層が形成されることがないため、燃料電池セルスタック装置１の発電効率の低下を抑制することができ、効率よく集電することができる。

また、電流引出し部１５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、板状部１９の下端部側に設けることが好ましく、電流引出し部１５がマニホールド７に接触しないよう、電流引出し部１５と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１５を、板状部１９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１９をマニホールド７に固定するにあたり、電流引出し部１５との接続部よりも下方側の部位において、板状部１９の両側部から屈曲した一対の側板部を設けることもできる。

なお、導電部材５における集電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さは、集電部材４と同様に発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることが好ましい。それにより、効率よく集電することができる。また、導電部材５は一枚の板部材をプレス加工して集電部および平板部１９を形成し、作製することができる。それにより、容易に導電部材５を作製することができる。この時、平板部１９とは、一枚の板部材から集電部を除いた部位を示す。なお、一枚の板部材により平板部１９を作製し、別途作製した第１接続部１７、集電片１６および第２接続部１８を平板部１９に溶接して集電部を作製することもできる。

なお、集電部とは、燃料電池セルスタック２の端部に位置する燃料電池セル３と接触する部位を示す。

図３は、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）は正面図であり、図４は、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。

導電部材２０は、図２に示した導電部材２０と集電部の形状が異なっている。導電部材２０の集電部は、第１接続部２２は、屈曲部を有するとともに、集電片２１の一方の端部と平板部２４の幅方向における他方の端部側とを接続するように設けられており、第２接続部２３は、屈曲部を有するとともに、集電片２１の他方の端部と平板部２４の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けられているとともに、集電部は、第１接続部２２、第２接続部２３および集電片２１とを１組として、平板部２４の上下方向に複数組備えている。

それにより、燃料電池セル３と接触する面積（集電面積）を大きくすることができ、集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。

さらに、燃料電池セル３に反り（特には伸び）が生じた場合においても、第１接続部２２および第２接続部２３が、屈曲部を有することから、柔軟に燃料電池セル３の反りまたは伸びに追従することができ、燃料電池セル３との剥離を抑制することができる。

なお、第１接続部２２および第２接続部２３において複数の屈曲部を有する例を示したが、屈曲部を設けなくてもよい。その場合においても、第１接続部２２は、集電片２１の一方の端部と平板部２４の幅方向における他方の端部側を接続することから、集電片２１と平板部２４との間の長さに比べ第１接続部２２の長さが長く、同様に、第２接続部２３の長さも集電片２１と平板部２４との間の長さに比べ長くなっている。それにより、燃料電池セル３の反りまたは伸びに対して集電部（集電片２１）が柔軟に追従することができる。なお、屈曲部の代わりに湾曲部等を設けてもよい。

図４は、図３と同様の集電部を、一枚の平板をプレス加工により、所定の形状に切り抜き、燃料電池セル３の配置される側に引出して作製された導電部材２５である。一枚の平板から簡単な工程で導電部材２５を作製することができ、燃料電池セルスタック装置１の製造工程を簡略化することができる。

また、集電部と導電部材２５とが一枚の平板から作製されていることから、集電部と導電部材２５との間に接合部がないために、接合部において酸化被膜の層が形成されることを抑制でき、発電効率を向上させることができ。なお、接合部とは、溶接により一体的に設けたものではなく、P型半導体層１４等を介し接合された部位を示す。

さらに、図４において一点鎖線で囲った部分が電流を下方へ流すリード部となっており、それぞれの集電片２１で集めた電流をリード部に沿って電流引出し部に効率よく流すことができ、燃料電池セルスタック装置１の発電効率を向上させることができる。

なお、集電部は、集電片２１、第１接続部２２および第２接続部２３をそれぞれ作製し、それぞれを溶接して作製することもできる。例えば、第１接続部２２および第２接続部２３の端部側に連結部２６を設け、集電片２６の両端に連結部２６を介して、第１接続部２２および第２接続部２３を接続することもできる。

ここで、導電部材の剛性が低い場合において、燃料電池セルスタック２を運搬等する際の揺れ等により、燃料電池セルスタック２を構成する燃料電池セル３が共振し、下端部側に応力が集中し、破損するおそれがある。そのため、剛性の高い導電部材を用いて、燃料電池セルスタックを挟持することが好ましいが、一方で、導電部材の剛性が高いと、燃料電池セル３の反りや伸び等の変形に伴い、端部集電部材６４ｂと導電部材６５とが剥離を生じたり、燃料電池セル３が破損するおそれがある。

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さらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図であり、図６は、図５に示す導電部材の平面図を示す。

導電部材３０は、導電部材２０の平板部２４の両端部に、燃料電池セル３の配列方向に沿って外側に延びた側板部２７を設けられており、第１接続部２２および第２接続部２３は、図６に示すように、平板部２４の端部側に接続されている。それにより、導電部材２０（平板部２４）の剛性を高くすることができ、燃料電池セル３が運搬時等の揺れにより破損することを抑制できる。

さらに、集電部をプレス加工により作製した場合においては、側板部２７がそれぞれの集電片２１により集電した電流を下端部側に位置する電流引出し部（図示せず）に効率よく電流を流すリード部の一部となる。それにより、さらに効率よく集電することができる。

また、集電部における剛性を高くすることなく、導電部材３０の剛性を高くすることができ、燃料電池セル３の反りまたは伸びによる燃料電池セル３と導電部材３０（集電部）とが剥離することを抑制できる。

なお、側板部２７が燃料電池セル３の配列方向に沿って外側に延びた例を示したが、平板部２４の剛性を高めるように設けてあれば、内側に延びるように設けてもよい。その場合においては、燃料電池セル３と側板部２７とが接触すると短絡するおそれがあるので、燃料電池セル３と接触しないように、側板部２７の長さ設けることが好ましく、燃料電池セル３の幅の外側に向けて側板部２７を設けることが好ましい。また、側板部２７に絶縁性のコーティング等を施してもよい。

ここで、側板部２７は、平板部２４の両端を折り曲げて設けてもよく、板部材等や剛性の高い部材を平板部２４に接合して設けてもよい。さらに、第１接続部２２および第２接続部２３を側板部２７に接続してもよい。

図７は、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燃料電池セルの配列方向における外側に所定の間隔をあけて導電部材保持用部材３６を設けた例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。

導電部材保持用部材３６は、板状部３７と、板状部の両端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部３８とを有しており、導電部材２０と所定の間隔をあけて、導電部材２０を導電部材保持用部材３６の一対の側部間に配置するようにマニホールド７に固定されている。

それにより、導電部材２０の剛性が低い場合においても、燃料電池セル３に運搬時等の揺れが生じた場合においても、導電部材保持用部材３６が導電部材２０を保持することにより燃料電池セル３が共振することを抑制でき、燃料電池セルの破損を抑制することができる。

また、導電部材保持用部材３６と導電部材２０との間に断熱材等を入れてもよい。それにより、断熱材等がクッションとして働き、燃料電池セル３にかかる応力を緩和することで、さらに燃料電池セル３の破損を抑制することができる。

なお、側部３７の下端部を導電部材２０の平板部２４の下端部と接合することで、導電部材保持用部材３６と導電部材２０とを一体化することもできる。この場合においても、集電部の剛性は高くならないため、集電部と燃料電池セル３との剥離を抑制することができる。

また、導電部材保持用部材３６と導電部材２０とを一体化せず、マニホールド７に絶縁性材料を介さずに接続する場合、短絡することを抑制するため、導電部材保持用部材３６に絶縁性のコーティングを施すことが好ましい。それにより、電流が短絡し燃料電池セルスタック装置１の発電効率の低下を抑制することができる。

なお、導電部材保持用部材３６は、導電部材２０と一体的に作製する場合、導電部材３６と同様にクロムを含有する合金や、導電性セラミックスを用いて作製することができる。導電部材３６と一体的に作製する場合には、導電性が必要とされないため、セラミックス等の絶縁性の材料で作製されることが好ましい。

なお、図７では導電部材２０を用いた例を示したが、側板部２７を有した導電部材３０においても、導電部材支持部材３７を設けてもよい。その場合においても、燃料電池セル３の破損や剥離を抑制することができる。

図８は、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り、直方体状の収納容器４１の内部に、本発明の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３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４５を燃料電池セルスタック２の上方に配置している。そして、改質器４５で生成された燃料ガスは、ガス流通管４６を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図８においては、収納容器４１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１および改質器４５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４０においては、燃料電池セルスタック装置１を、収納容器４１内にスライドして収納することが可能である。

また収納容器４１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材４８は、図８においてはマニホールド７に並置された燃料電池セルスタック２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３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、燃料電池セル３のガス流路より排出される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、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。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３のガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セルスタック２の上方に配置された改質器４５を温めることができる。それにより、改質器４５で効率よく改質反応を行うことができる。

このような燃料電池モジュール４０においては、上述したように、発電効率の向上した燃料電池セルスタック装置１を収納容器４１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モジュール４０とすることができる。

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４０と、燃料電池モジュール４０を動作させるための補機（図示せず）とを収納してな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。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５０は、支柱５６と外装板５７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４０を収納するモジュール収納室５４とし、下方側を燃料電池モジュール４０を動作させるための補機を収納する補機収納室５３として構成されている。なお、補機収納室５３に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板５８には、補機収納室５３の空気をモジュール収納室５４側に流すための空気流通口５１が設けられており、モジュール収納室５４を構成する外装板５８の一部に、モジュール収納室５４内の空気を排気するための排気口５２が設けられている。

このような燃料電池装置５０においては、上述したように、発電効率の向上した燃料電池モジュール４０をモジュール収納室５４に収納し、燃料電池モジュール４０を動作させるための補機を補機収納室５３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５０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。その場合においては、内側電極層を酸素側電極層１０とし、外側電極層を燃料側電極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。

１，６１：燃料電池セルスタック装置
２，６２：燃料電池セルスタック
３、６３：燃料電池セル
４，６４ａ，６４ｂ：集電部材
５，２０，２５，３０，６５：導電部材
６，１５，６６：電流引出し部
７，６７：マニホールド
１６，２１：集電片
１７，２２：第１接続部
１８，２３：第２接続部
１９，２４：平板部
２７：側板部
３６：導電部材保持用部材
５０：燃料電池モジュール
６０：燃料電池装置

Claims (8)

1. 複数個の柱状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して電気的に直列に接続してなる燃料電池セルスタックと、該燃料電池セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から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において、
   前記導電部材は、下端部が前記マニホールドに固定された平板部と、
   前記燃料電池セルスタックの端部に位置する前記燃料電池セルに接触する集電部とを有し、
   該集電部は、前記平板部の上下方向に所定間隔をあけて複数設けられた、前記燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、
   該集電片の一方の端部と前記平板部とを接続する第１接続部と、
   前記集電片の他方の端部と前記平板部とを接続する第２接続部とを有することを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
2. 前記第１接続部は、前記集電片の一方の端部と前記平板部の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けられており、前記第２接続部は、前記集電片の他方の端部と前記平板部の幅方向における他方の端部側とを接続するように設けら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装置。
3. 前記第１接続部は、前記集電片の一方の端部と前記平板部の幅方向における他方の端部側とを接続するように設けられており、前記第２接続部は、前記集電片の他方の端部と前記平板部の幅方向における一方の端部側とを接続するように設けら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装置。
4. 前記集電片、前記第１接続部および前記第２接続部は、前記平板部の一部と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
5. 前記導電部材は、前記平板部の幅方向における少なくとも一方の端部に、前記燃料電池セルスタックと反対側に延びた側板部を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置。
6. 前記導電部材と所定の間隔をあけて配置されており、下端部が前記マニホールドに固定された板状部と、該板状部の幅方向における両端から前記燃料電池セルスタック側に延びる一対の側部とを有する導電部材保持用部材を備えるとともに、平面視したときに前記導電部材が、前記導電部材保持用部材の一対の側部間に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の燃料電池セルスタック装置。
7. 請求項1乃至請求項６の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。
8. 請求項７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。