JP2012014864A - 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】発電効率が向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック装置１は、複数個の燃料電池セル３を配列してなり、隣接する燃料電池セル３を集電部材４を介して電気的に接続してなるセルスタック装置１であって、隣接する燃料電池セル３間に、隣接する燃料電池セル３の少なくとも一方に反応ガスを供給するための反応ガス流路２１を集電部材４と接するように配置させるとともに反応ガス流路を側方より塞ぐガス案内部材２０を隣接する一方の燃料電池セル３から他方の燃料電池セル３にわたって設けたことから、発電効率の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、隣接する燃料電池セル間に集電部材を配置して、燃料電池セルを電気的に接続するセルスタック装置、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（空気等）とを用いて６００℃〜１０００℃の高温下で発電す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備える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。）。

ここで、集電部材としては、一枚の矩形板状の合金板に、複数のスリット、合金板の中央部に、燃料電池セルの長手方向に所定間隔を置いて平行に形成し、隣り合うスリット間の集電片を交互に反対側に突出させて形成したユニットを、複数連結して構成された集電部材が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

このような集電部材は、集電部材の内部が反応ガス流路となっており、反応ガス（酸素含有ガス）は、反応ガス流路を介して燃料電池セルに供給されている。

特開２００７−０５９３７７号公報 特開２００８−１３５１９５号公報

しかしながら、このような集電部材において、反応ガス流路を流れる反応ガスが、集電部材の両側から側方へ流出し、燃料電池セルに供給される反応ガスの量が減るために、燃料電池セルの発電効率が低下し、その結果、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の発電効率が低下することがあった。

本発明のセルスタック装置は、複数個の燃料電池セルを配列してなり、隣接する燃料電池セルを集電部材を介して電気的に接続してなるセルスタック装置であって、隣接する燃料電池セル間に、隣接する燃料電池セルの少なくとも一方に反応ガスを供給するための反応ガス流路を集電部材と接するように配置させている。また、反応ガス流路を側方より塞ぐガス案内部材を隣接する一方の燃料電池セルから他方の燃料電池セルにわたって設けられている。

また、本発明の燃料電池モジュールは、上記に記載のセルスタック装置を収納容器内に収納している。

また、本発明の燃料電池装置は、上記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作動させるための補機とを外装ケース内に収納している。

本発明によれば、燃料電池セルに十分な量の反応ガスを供給することができ、セルスタ
ックの発電効率を向上させることができる。さらには、発電効率の向上した燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を得ることができる。

本発明の一実施形態であるセルスタック装置を示す図で、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。 図１に示す集電部材およびガス案内部材を抜粋して示す斜視図である。 図１に示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す側面図である。 本発明の他の実施形態であるセルスタック装置を構成する集電部材およびガス案内部材を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態であるセルスタック装置を構成する集電部材およびガス案内部材を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 本発明の他の実施形態であるセルスタック装置を構成する集電部材およびガス案内部材を示す斜視図である。 図６に示す集電部材及びガス案内部材を燃料電池セル間に配置したセルスタック装置を示す図で、（ａ）は一部を抜粋して示す側面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の一実施形態である燃料電池モジュールを分解して示す外観斜視図である。 本発明の一実施形態である燃料電池装置を示す分解斜視図である。

本発明の一実施形態であるセルスタック装置１について図１〜３を用いて説明する。

セルスタック装置１は、内部に第２の反応ガス流路１３を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が楕円形状の導電性支持体１２の一方の平坦面上に内側電極層である燃料極層８と、固体電解質層９と、外側電極層である空気極層１０とをこの順に積層してなるとともに、他方の平坦面のうち外側電極層９が形成されていない部位にインターコネクタ１１を積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３の複数個を、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４を配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２を備えている。

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することができる。このＰ型半導体層１４は、空気極層１０の外面に設けることもできる。

そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端が、燃料電池セル３の少なくとも一方に反応ガスを供給するための第２の反応ガス流路１３を介して燃料電池セル３に第２の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（図示せず）等の接合材により固定されている。

図１に示すセルスタック装置１においては、燃料電池セル３の第２の反応ガス流路１３内に第２の反応ガスとして水素含有ガス（燃料ガス）を流すとともに、詳しくは後述するが燃料電池セル３間に配置された集電部材４の内部が反応ガス流路２１（第１の反応ガス流路）となっており、第１の反応ガス流路２１内に酸素含有ガス（空気）を流している。それにより、燃料極層８にマニホールド７より第２の反応ガスとして燃料ガスが供給され、空気極層１０に集電部材４の第１の反応ガス流路２１を介して酸素含有ガスが供給されることで、燃料電池セル３の発電が行なわれる。なお、図３に示す実線の矢印は燃料ガスの流れを示し、破線の矢印は酸素含有ガスの流れを示している。後述する図７（ａ）においても同様である。

また、以下の説明において第２の反応ガスとして燃料ガスを、第１の反応ガスとして酸素含有ガスを用いて、第1の反応ガス流路２１が酸素含有ガス流路となり、第２の反応ガ
ス流路１３が燃料ガス流路となる場合を例示して説明する。

このようなセルスタック装置１においては、第２の反応ガス流路１３より排出される燃料ガスを燃料電池セル３の上方で燃焼させる構成とすることにより、燃料電池セル３の温度を効率よく上昇させるまたは高温に維持することができ、効率のよい発電を行なうことができる。

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集電部材４を介してセルスタック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。ここで、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、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部６が設けられている。

以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料極層８は、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する）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。

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、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。空気極層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％の範囲とすることができる。

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）を使用することができる。インターコネクタ１１は導電性支持体１２に形成された複数の第２の反応ガス流路１３を流通する燃料ガス、および導電性支持体１２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％以上の相対密度とすることができる。

導電性支持体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必要とされる。したがって、導電性支持体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。

なお、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層８または固体電解質層９との同時焼成により導電性支持体１２を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから導電性支持体１２を形成することができる。また、導電性支持体１２は、所要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５０Ｓ／ｃｍ以上、さらには３００Ｓ／ｃｍ以上、４４０Ｓ／ｃｍ以上にしてもよい。

さらに、Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属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型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることができる。

次に、集電部材４およびガス案内部材２０について図２を用いて説明する。

図２に示す集電部材４は、隣接する一方の燃料電池セル３と接続された複数の第１集電片１５ａと、隣接する他方の燃料電池セル３と接続された複数の第２集電片１６ａと、複数の第１集電片１５ａと複数の第２集電片１６ａの一端同士を連結する第１連結部１７ａと、複数の第１集電片１５ａと複数の第２集電片１６ａの他端同士を連結する第２連結部１８ａとを一組のユニットとし、これらのユニットの複数組が、燃料電池セル３の長手方向に導電性連結片１９により連結されて構成されており、集電部材４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。）における両側に、第１の反応ガス流路２１のそれぞれの側方を燃料電池セル３の長手方向（以下、セル長手方向と略す場合がある。）に沿って塞ぐためのガス案内部材２０が設けられている。なお、第１集電片１５ａおよび第２集電片ａとは、燃料電池セル３に接続される部位を示す。

第１連結部１７ａおよび第２連結部１８ａは、それぞれセル長手方向に延びる延伸部（図示せず）と、燃料電池セル３の幅方向に沿って設けられ、第１集電片１５ａおよび第２集電片１６ａと接続される屈曲した複数の接続部２８ａとを有しており、図２に示す集電部材４においては、４本の第１集電片１５ａと３本の第２集電片１６ａと、延伸部とが接続部２８ａにて連結して１つのユニットを構成している。

ここで、図２に示す集電部材４においては、隣接する燃料電池セル３と接続される第１集電片１５ａと第２集電片１６ａとが、燃料電池セル３の配列方向に沿って間隔をあけて配置されており、燃料電池セル３間（すなわち、第１集電片１５ａと第２集電片１６ａとの間の空間）が第１の反応ガス流路２１（図１参照）となり、燃料電池セル３（空気極層１０）に供給する酸素含有ガス（空気等）が第１の反応ガス流路２１の下方から上方に流れることとなる。

ここで、燃料電池セル３において発電する部位は、燃料極層８と、固体電解質層９と、空気極層１０とがこの順に積層されている部位（以下、発電部と呼ぶことがある。）である。それゆえ、燃料電池セル３の発電部で発電された電流を効率よく集電するにあたり、集電部材４の燃料電池セル３の長手方向に沿った長さは、燃料電池セル３における燃料極層８または空気極層１０のうち短い方の長さ以上とすることがよい。

なお、集電部材４は、耐熱性および導電性を有する必要があり、例えば合金または導電性セラミックスやサーメット等により作製することができる。特には、集電部材４は、高温の酸化雰囲気に曝されることから１０〜３０％の割合でＣｒを含有する合金から作製することができ、Ｆｅ−Ｃｒの合金やＮｉ−Ｃｒの合金等により作製できる。

また、集電部材４は、高温の酸化雰囲気に曝されることから、集電部材４の表面に、耐酸化性のコーティングを施してもよい。それにより、集電部材４の劣化を低減することが
できる。

集電部材４を、Ｃｒを含有する合金で作製する場合には、合金に含まれるＣｒが燃料電池セル３に拡散することを低減するために、Ｃｒ拡散抑制層をコーティングにて形成してもよい。Ｃｒ拡散抑制層としては、Ｚｎ等の酸化物やペロブスカイト型酸化物を用いることができる。

次に、第１の反応ガス流路２１について図１および図３を用いて説明する。なお、図３においては、一方の集電部材４（図３においては左に配置された集電部材４）のガス案内部材２０を省略して示している。

集電部材４においては、燃料電池セル３に酸素含有ガスを効率よく供給するため、複数の第１集電片１５ａのそれぞれや、複数の第２集電片１６ａのそれぞれが間隔をあけて配置されている。そのため、複数の接続部２８ａも間隔をあけて配置されており、これらの集電片１５ａ、１６ａを備える集電部材４の両側方（セル幅方向における両側方）から酸素含有ガスが流出して、十分な量の酸素含有ガスを燃料電池セル３（発電部）に供給することができず、燃料電池セル３の発電効率が低下する。

それゆえ、図１に示すセルスタック装置１においては、反応ガス流路２１のそれぞれの側方から燃料電池セル３の長手方向に沿って反応ガスを案内するためのガス案内部材２０が、集電部材４両側方であって、隣接する一方の燃料電池セル３から他方の燃料電池セル３にわたって設けられている。

それにより、第１の反応ガス流路２１を流れる酸素含有ガスが、集電部材４の隣接する接続部２８ａ間から側方へ流出することを低減し、燃料電池セル３の長手方向に沿って流すこと十分な量の酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給することができ、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、ガス案内部材２０は、第１の反応ガス流路２１を流れる酸素含有ガスを、ガス案内部材２０に沿って流すことができる。それにより、発電に使用されなかった酸素含有ガスを効率よく燃料電池セル３の上方に導くことができ、余剰の燃料ガスの燃焼を効率よく行なうことができるとともに、燃焼が生じなくなる失火の可能性を低減することができる。

そのため、燃料電池セル３の温度を効率よく上昇させるまたは高温に維持することができ、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ほか、セルスタック装置１の起動を早めることができる。

ガス案内部材２０としては、第１の反応ガス流路２１を流れる酸素含有ガスが、接続部２８ａ間から流出することを効果的に低減するために、集電部材４の長手方向に沿った長さと同等以上の長さとなるように設けることができる。

ここで、ガス案内部材２０は、集電部材４の長手方向にわたって導電性接合材等により固定することができるほか、図１に示すように上端部に集電部材４にガス案内部材２０を固定するためのフック等の接続部材２７を備え、接続部材２７を集電部材４の上端部に取り付ける（引っ掛ける）ことにより集電部材４に固定することもできる。それにより、接続部材２７を、第１連結部１７ａ、第２連結部１８ａに容易に固定することができる。

ここで、集電部材４と燃料電池セル３とはペロブスカイト型酸化物を含む導電性接合材（図示せず）により接合することができる。一方の燃料電池セル３に導電性接合材を介し
て第１集電片１５ａを接続し、他方の燃料電池セル３に導電性接合材を介して第２集電片１６ａを接続されている。また、第１集電片１５ａおよび第２集電片１６ａは電気的に接続されている。また、ガス案内部材２０を導電性接合材を介して接続することにより、接続部材２７を設ける必要が無く、集電部材４を構成する部材を減らすことができる。なお、ガス案内部材２０に接続部材を設けなくてもよい。また、ガス案内部材２０を集電部材４の両側方に、導電性接合材を介して接続してもよい。それにより、接続部材２７を設ける必要がなくなり、セルスタック装置１の作製コストを低減することができる。ガス案内部材２０は、燃料電池セル３の空気極層１０とインターコネクタ１３（Ｐ型半導体層１４）とに接続することができる。それにより、酸素含有ガスを効率よく空気極層１０に供給することができる。

また、ガス案内部材２０が接続部材２７を有する場合には、例えば、一枚の板を打ち抜き、打ち抜いた板を折り曲げるとともに、接続部材２７となる部位を折り曲げてガス案内部材２０を作製することができる。

なお、ガス案内部材２０は、上述の集電部材４と同様の材料から作製することができるほか、第１連結部１７ａおよび第２連結部１８ａにより、第１集電片１５ａと第２集電片１６ａとが電気的に接続されている場合には、絶縁性の材料にて作製することもできる。

ところで、セルスタック装置１の作製時や運転時において、燃料電池セル３にインターコネクタ側が伸びる変形（反り）が生じる場合がある。燃料電池セル３とガス案内部材２０とが導電性接合材により接合されており、燃料電池セル３に変形が生じた場合に、ガス案内部材２０が燃料電池セル３の変形を抑えることで、燃料電池セル３の内部に応力が生じ、燃料電池セル３が破損する可能性が高まる。

ここで、図２に示すガス案内部材２０は、平面視したときにセル配列方向に対して垂直な方向に屈曲した板部材により形成されている。そのため、ガス案内部材２０をセル配列方向に変形させることができることから、燃料電池セル３の変形に対して追従させることができ、燃料電池セル３の変形により生じる応力を低減することができるため、燃料電池セル３が破損することを抑制することができる。

また、ガス案内部材２０を集電部材４より剛性の低い材料から作製してもよく、その場合においても、燃料電池セル３の破損が生じることを有効に低減することができる。

集電部材４およびガス案内部材２０の剛性は、集電部材４およびガス案内部材２０のセル配列方向における圧縮方向に対する剛性を求める押圧試験や、集電部材４およびガス案内部材２０のセル配列方向における引張方向に対する剛性を求める引張試験により求めることができる。

押圧試験により集電部材４またはガス案内部材２０の剛性を測定する場合には、台座の上に集電部材４またはガス案内部材２０をエポキシ樹脂等の接着材等により固定し、板部材等により、圧縮方向に集電部材４またはガス案内部材２０に弾性変形する範囲内で所定の一定荷重（例えば１０〜１００Ｐａ）を燃料電池セル３の配列方向に相当する方向に加え、荷重によるそれぞれの変位量を求めることにより各部材の剛性を測定することができる。

引張試験により集電部材４またはガス案内部材２０の剛性を測定する場合には、台座の上に集電部材４またはガス案内部材２０をエポキシ樹脂等の接着材等により固定し、集電部材４またはガス案内部材２０の台座と反対側をエポキシ樹脂等の接着剤等により板部材に固定し、引張方向に集電部材４またはガス案内部材２０に弾性変形する範囲内で所定の
一定引張荷重（例えば１０〜１００Ｐａ）を燃料電池セル３の配列方向に相当する方向に加え、荷重によるそれぞれの変位量を求めることにより各部材の剛性を測定することができる。

なお、押圧試験または引張試験により、集電部材４やガス案内部材２０の剛性を求めるにあたっては、所定数（例えば１０点）の所定の一定荷重に対する変位量をそれぞれ求め、荷重と変位量の比をそれぞれ求め平均を求めることにより剛性を求めることができる。また、剛性を計測するに際し、燃料電池装置の作動温度である６００℃〜１０００℃で計測することが好ましい。

また、ガス案内部材２０と集電部材４とを同じ材料から作製する場合において、ガス案内部材２０の厚みを集電部材４の厚みよりも薄くすることで、ガス案内部材２０の剛性を集電部材４の剛性よりも低くすることもできる。なお、ガス案内部材２０を集電部材４と同じ導電体により作製した場合、上述したように燃料電池セル３の空気極層１０とインターコネクタ１３とに接合すると、ガス案内部材２０が集電部材として作用することとなる。

なお、ガス案内部材２０を絶縁体により作製した場合、ガス案内部材２０がセルスタックを構成する各部材（例えば、マニホールド）に接触しても電流が短絡することは無い。

また、ガス案内部材２０を燃料電池セル３と接続しないように集電部材４と接続してもよい。それにより、燃料電池セル３に変形が生じた場合においても、燃料電池セル３に応力が集中することを低減することができる。

次に、本発明の実施形態であるセルスタック装置１を構成する集電部材および他の実施形態であるガス案内部材２３について図４を用いて説明する。なお、本発明の実施形態であるセルスタック装置１と同一の部材については同一の番号を付している。

図４に示す集電部材４およびガス案内部材２３により構成されたセルスタック装置１は、図２に示した集電部材４と、セル長手方向に沿って湾曲した形状のガス案内部材２３とを備えており、図示していないが、ガス案内部材２３の上端部に設けられた接続部材により集電部材４とガス案内部材２３とが固定されている。

それにより、第１の反応ガス流路２１を流れる酸素含有ガスが、接続部２８ａ間から集電部材４の側方に流出することを低減し、十分な量の酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給することができる。それにより、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、ガス案内部材２３を備えることにより、発電に使用されなかった酸素含有ガスを効率よく燃料電池セル３の上方に流すことができ、余剰の燃料ガスの燃焼を効率よく行なうことができるとともに、余剰の燃料ガスの燃焼の失火を抑制することができる。

それにより、燃料電池セル３の温度を効率よく上昇させるまたは高温に維持することができ、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ほか、セルスタック装置２４の起動を早めることができる。

また、ガス案内部材２３が湾曲した形状とされていることから、燃料電池セル３とガス案内部材２３とが接合されていてもガス案内部材２３の剛性を低減することができ、燃料電池セル３の変形に柔軟に追従することができ、燃料電池セル３に応力が集中することを低減することができるため、燃料電池セル３の破損が生じることを低減することができる
。

なお、ガス案内部材２３が接続部材を有する場合には、例えば、一枚の板を打ち抜き、打ち抜いた板を湾曲させるとともに、接続部材となる部位を折り曲げてガス案内部材２３を作製することができる。

次に、集電部材２２およびガス案内部材２６について図５を用いて説明する。

図５に示す集電部材２２は、隣接する一方の燃料電池セル３に接続される複数の第１集電片１５ｂと、隣接する他方の燃料電池セル３に接続される複数の第２集電片１６ｂと、第１集電片１５ｂの一端および当該第１集電片１５ｂに隣接する第２集電片１６ｂの他端を連結する第１連結部１７ｂと、複数の第１集電片１５ｂの他端および当該第１集電片１５ｂに隣接する第２集電片１６ｂの一端を連結する第２連結部１８ｂとを一組のユニットとし、これらユニットの複数組が、燃料電池セル３の長手方向に複数組設けられている。セルスタック装置２４は、集電部材２２のセル幅方向における両側方に、第１の反応ガス流路２１のそれぞれの側方を塞ぐためのガス案内部材２６が設けられている。

第１連結部１７ｂおよび第２連結部１８ｂは、セル幅方向に沿って伸びる連結部（図示せず）と、連結部、第１集電片１５ａおよび第２集電片１６ｂを接続するための接続部２８ｂとを備えている。

ここで、ガス案内部材２６は、集電部材２２の長手方向にわたって導電性接合材等により固定することができるほか、図５に示すように上端部に集電部材２２にガス案内部材２６を固定するための接続部材２９を備え、接続部材２９のみで集電部材２２に固定することもできる。この場合、接続部材２９を、第１連結部１７ｂ、第２連結部１８ｂにそれぞれ固定することができる。

図５に示すように、集電部材２２の側方は、隣接する接続部２８ｂ間に間隙があり、第１反応ガス流路２１を流れる酸素含有ガスが、セルスタック２の側方に流出する。この場合においても、ガス案内部材２６を備えることにより、酸素含有ガスがセルスタック２の側方に流出することを低減することができる。さらに、ガス案内部材２６を備えることから、発電に使用されなかった酸素含有ガスを効率よく燃料電池セル３の上方へ供給することができる。

ガス案内部材２６は、上端側に接続部材２９が設けられ集電部材４と接続されている。接続部材２９により、セル幅方向における集電部材２２の一方に配置されるガス案内部材２６と、集電部材２２の他方に配置されるガス案内部材２６とを接続しているため、ハンドリング性の高いガス案内部材２６とすることができるとともに、集電部材２２とガス案内部材２６とを容易に接続することができ、作製が容易なセルスタック装置２４とすることができる。また、ガス案内部材２６と集電部材４とを導電性接合材を用いて反応ガスが流出しないように接合してもよい。

なお、ガス案内部材２６が燃料電池セル３の幅方向の外側に向けて凸部を有するように屈曲させた例を示したが、燃料電池セル３の幅方向の内側に向けて凸部を有するように屈曲させてもよい。それにより、第１の反応ガス流路２１（ガス案内部材２６間）狭めることができ、効率よく空気極層１０に酸素含有ガスを供給することができる。

さらに、ガス案内部材２６の第１の反応ガス流路２１に沿って伸びる延伸部（図示せず）を集電部材４と別体として設けることから、燃料電池セル３が変形した場合においても、集電部材４の剛性を高めることがないため、燃料電池セル３に破損が生じることを低減
することができる。

また、ガス案内部材２６のセル幅方向における両端に位置する延伸部のセル配列方向の長さ（厚み）が、図５（ｂ）に示すように、燃料電池セル３の空気極層１０とインターコネクタ１１（Ｐ型半導体層１４）との間に位置するように配置することで、燃料電池セル３とガス案内部材２６とが接触することを低減できる。

次に、集電部材４９について図６、７を用いて説明する。

集電部材４９は、ガス案内部材と集電部材４９とが一体的に形成されており、一方の燃料電池セル３と接するための集電部５０ａと、他方脳燃料電池セル３と接するための集電部５０ｂと、それぞれの集電部５０ａ、５０ｂを接続するとともにガス案内部材としてのガス案内部５２とから構成されており、集電部材４９の内部が第１の反応ガス流路２１となっている。

集電部５０ａ、５０ｂには燃料電池セル３の幅方向に沿ったスリット５１が設けられており、各スリット５１間が集電片となっている。

集電部材４９においても、第１の反応ガス流路２１の側方を塞ぐようにガス案内部材が設けられているため、第１の反応ガス流路を流れる酸素含有ガスを効率よく燃料電池セル３の上方へ流すことができる。また、集電部材４９が、集電部５０ａ、５０ｂとガス案内部５２とから構成されていることから、別部材としてガス案内部材を設ける必要がないため、集電部材４９のハンドリング性を向上させることができる。

なお、集電部材４９は、一枚の板部材をプレス加工等により所定の形状に打ち抜き、平面視してＣ型になるように折り曲げて作製することができる。これにより、ガス案内部材および集電部材４を簡単に作製することができる。

スリット５１は、燃料電池セル３の空気極層１０に酸素含有ガスを供給するために設けられている。そのため、スリット５１は、燃料電池セル３の空気極層１０と接続される部位に設けることができる。また、集電部材４９内を流れる酸素含有ガスが第１の反応ガス流路２１から外部へ流出することを防ぐために、スリット５１が外部に露出しないように構成されている。つまり、スリット５１により設けられた開口が燃料電池セル３の空気極層１０またはインターコネクタ１３により塞がれている。さらに、ガス案内部５２により、集電部材４９（第１の反応ガス流路２１）の側方が塞がれているため、酸素含有ガスが流出することを低減できるとともに、燃料電池セル３の上方へ向けて酸素含有ガスを供給することができる。

ところで、ガス案内部材２０、２３、２６およびガス案内部５２において、平面視してガス案内部材２０、２３、２６およびガス案内部５２の一箇所に屈曲部または湾曲部を設けた例を示したがこれに限定されるものではない。例えば、平面視したときにセル配列方向に対して垂直な方向に屈曲または湾曲した屈曲部または湾曲部を複数設けてもよく、屈曲部および湾曲部を組み合わせて設けてもよい。その場合においても、燃料電池セル３の変形に柔軟に追従することができる。

次に、セルスタック装置１を収納容器３１内に収納してなる燃料電池モジュール３０について図８を用いて説明する。

図８に示す本発明の燃料電池モジュール３０は、燃料電池セル３２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
３５をセルスタック３４の上方に配置している。そして、改質器３５で生成された燃料ガスは、ガス流通管３６を介してマニホールド３３に供給され、マニホールド３３を介して燃料電池セル３２の内部に設けられた第１の反応ガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図８においては、収納容器３１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１および改質器３５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３０においては、セルスタック装置１を、収納容器３１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３１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材３８は、図８においてはマニホールド３３に並置されたセルスタック３４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３２の側方を下端部側（一端部側）から上端部側（他端部側）に向かって流れるように、燃料電池セル３２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３２の第１の反応ガス流路（図示せず）より排出される発電に使用されなかった余剰の燃料ガス（燃料オフガス）を燃料電池セル３２の上端部の上方で燃焼させることにより、セルスタック３４の温度を効果的に上昇させることができ、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３２の上端部の上方にて、燃料電池セル３２の第１の反応ガス流路から排出される燃料オフガスを燃焼させることにより、セルスタック３４の上方に配置された改質器３５を温めることができる。それにより、改質器３５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３０においては、上述したように、発電効率が向上したセルスタック装置１を収納容器３１に収納して構成されることにより、発電効率が向上した燃料電池モジュール３０とすることができる。

次に、燃料電池モジュール３０と、燃料電池モジュール３０を作動させるための補機（図示せず）とを収納してなる燃料電池装置４０について図９を用いて説明する。

図９に示す燃料電池装置４０は、支柱４６と外装板４７から構成される外装ケース内を仕切板４８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３０を収納するモジュール収納室４４とし、下方側を燃料電池モジュール３０を作動させるための補機を収納する補機収納室４３として構成されている。なお、補機収納室４３に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４８には、補機収納室４３の空気をモジュール収納室４４側に流すための空気流通口４１が設けられており、モジュール収納室４４を構成する外装板４７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４２が設けられている。

このような燃料電池装置４０においては、上述したように、発電効率が向上した燃料電池モジュール３０をモジュール収納室４４に収納し、燃料電池モジュール３０を作動させるための補機を補機収納室４３に収納して構成されることにより、発電効率が向上した燃料電池装置４０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の第２の反応ガス流路１３に燃料ガスを供給し、第２の反応ガス流路２１に酸素含有ガスを供給する例を示し
たが、第２の反応ガス流路１３に酸素含有ガスを供給し、第１の反応ガス流路２１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、内側電極層を空気極層１０とし、外側電極層を燃料極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。

また、集電部材は、集電部材内に第１の反応ガス流路を有するものであればその形状は限定されない。同様に、ガス案内部材は、第１の反応ガスを集電片（第１集電片または第２集電片）と連結部（第１連結部または第２連結部）との間から第１の反応ガスが流出することを低減すればよく、その形状は限定されない。また、本発明の実施形態として、ガス案内部材を集電部材の外側に配置した例を示したが、内側に配置してもよい。

１、２４：セルスタック装置
２、３４：燃料電池セルスタック
３、３２：燃料電池セル
４、２２４９：集電部材
７、３３：マニホールド
２０、２３、２６、５２：ガス案内部材
２１：反応ガス流路
３０：燃料電池モジュール
４０：燃料電池装置

Claims (5)

1. 複数個の燃料電池セルを配列してなり、隣接する前記燃料電池セルを集電部材を介して電気的に接続してなるセルスタック装置であって、
   隣接する前記燃料電池セル間に、隣接する前記燃料電池セルの少なくとも一方に反応ガスを供給するための反応ガス流路を前記集電部材と接するように配置させるとともに前記反応ガス流路を側方より塞ぐガス案内部材を隣接する一方の前記燃料電池セルから他方の前記燃料電池セルにわたって設けたことを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記ガス案内部材が、平面視したときに前記燃料電池セルの配列方向に対して垂直な方向に屈曲または湾曲した板部材からなることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記ガス案内部材と前記集電部材とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の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。
5. 請求項４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作動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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