JP2017069093A - セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電部の熱変形に対する耐性を向上できるセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供する。【解決手段】 複数の柱状のセル３が予め定める配列方向に沿って設けられてなるセルスタック２と、配列方向の最も外側に配置されたセル３に接続されるスタック支持体７と、スタック支持体７から突出し、スタック支持体７から離反する方向に一直線状に延びる第１直線部８１と、該第１直線部８１に連なり、凹状に曲折した折曲げ部８２と、該折曲げ部８２に連なり、一直線状に延びる第２直線部８３とを有する導電部８と、を含むことを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、セルの１種である燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置を収納容器内に収納してなるモジュールを備えるモジュール収容装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

上記のセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置においては、セルスタックの配列方向の両端部に、電流取り出し片などを含む導電部がそれぞれ設けられている。

また、近年、セルの１種として、固体酸化物形の電解質膜を備える電解セル（ＳＯＥＣ）を用いる高温水蒸気電解法も提唱されている。

特開２００７−５９３７７号公報

ところで、上述の従来技術においては、セルスタック装置が収納される収納容器から外部へ延び、マニホールドに電気的および機械的に接続される電流取り出し片が設けられるので、電流取り出し片を含む導電部は、発電反応によって高温となるセルスタック装置からの熱が伝わって熱変形し、導電部の熱変形に対する耐性の向上が求められている。

本発明の目的は、導電部の熱変形に対する耐性を向上することが可能なセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供することである。

本発明のセルスタック装置は、複数の柱状のセルが予め定める配列方向に沿って設けられてなるセルスタックと、
前記配列方向の最も外側に配置されたセルに接続されるスタック支持体と、
前記スタック支持体から突出し、前記スタック支持体から離反する方向に一直線状に延びる第１直線部と、該第１直線部に連なり、凹状に曲折した折曲げ部と、該折曲げ部に連なり、一直線状に延びる第２直線部とを有する導電部と、を含むことを特徴とする。

また、本発明のモジュールは、収納容器内に、上記のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする。

また、本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上記の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とする。

本発明によれば、導電部の熱変形に対する耐性が向上されたセルスタック装置を提供することができる。あわせて、該セルスタック装置を備えることで、導電部の熱変形に対する耐性が向上されたモジュールを提供することができる。さらに、該モジュールと、その運転を行なう補機とを備えることで、導電部の熱変形に耐性が向上されたモジュール収容装置を提供することができる。

本実施形態のモジュールに収納されるセルスタック装置の一例を示す斜視図である。 導電部８の斜視図である。 図１に示すセルスタック装置を示し、図３（ａ）はセルスタック装置の側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の点線枠で囲った部分の一部拡大平面図である。 本実施形態のモジュールの一例を示す斜視図である。 図４に示すモジュールの断面図である。 本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図である。 図６に示すモジュールに収納された改質器を抜粋して示し、図７（ａ）はモジュールの斜視図、図７（ｂ）はモジュールの平面図である。 本実施形態のセルスタック装置の上方に、図７に示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。 本実施形態のモジュールのさらに他の一例を示す断面図である。 本実施形態のモジュールの排ガス回収部の底面を一部抜粋して示す平面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。 他の例のセルスタック装置の導電部８Ａ付近の拡大斜視図である。 他の例のセルスタック装置の導電部８Ｂ付近の拡大斜視図である。 他の例のセルスタック装置の導電部８Ｃ付近の拡大斜視図である。

以下、図面を用いて本実施形態のセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。なお、異なる図中の共通の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。

図１は、本実施形態のセルスタック装置の一例を示す外観斜視図であり、図２は導電部８の斜視図である。図３は、図１に示すセルスタック装置を示し、図３（ａ）はセルスタック装置の側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の点線枠で囲った部分Ａの一部を拡大して示す断面図である。また、以降の図において、セルとして主に固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明し、セルとして水素を生成することが可能な電解セルを用いる場合において、燃料電池セルと異なる構成についてのみ、別途説明するものとする。

図１〜図３に示すセルスタック装置１においては、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路１５を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列（図１で示すＸ方向）し、隣接する燃料電池セル３間が導電部材６を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル３の下端を絶縁性接着材９でマニホールド４に固定してなるセルスタック２を２つ備えている。

なお、セルとして電解セルを用いる場合には、ガス流路１５に水蒸気を流し、また電解反応により生じた水素を回収すべく、セルの上端もガラスシール材等の絶縁性接着材にてマニホールドに固定されている。

なお、図１〜図３においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。なお、燃料電池セル３の間に酸素含有ガスが流通する。燃料電池セル３の構成については後述する。なお、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３は、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせてセルスタック装置１の形状も適宜変更することができる。

また、セルスタック２の最も外側に位置する燃料電池セル３に導電部材６を介して電気的に接続されたセルスタック支持体（以下、「スタック支持体」と略することがある。）７が配置されている。スタック支持体７の外側には保護カバーを設けることもできる。保護カバーは、セルスタック２の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、スタック支持体７およびセルスタック２を保護する。また、スタック支持体７にはセルスタック２の外側に突出する導電部８が接続されている。

導電部８は、スタック支持体７から突出し、スタック支持体７からＸ方向に離反する方向に一直線状に延びる第１直線部８１と、第１直線部８１に連なり、下方に開放する凹状、すなわち逆凹状に曲折した折曲げ部８２と、折曲げ部８２に連なり、一直線状に延びる第２直線部８３とを有する。

折曲げ部８２は、第１直線部８１にほぼ直角に屈曲して連なる第１折曲げ部分８２ａと、第２直線部８３にほぼ直角に屈曲して連なる第２折曲げ部分８２ｂと、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂと平行に延び、第１折曲げ部分８２ａと第２折曲げ部分８２ｂとを接続する第３折曲げ部分８２ｃとを有する。

本実施形態では、第３折曲げ部分８２ｃの厚みは、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂの厚みと同一の厚みに選ばれ、第３折曲げ部分８２ｃの長さは、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂの長さの１０％〜３０％に選ばれる。これによって第１〜第３折曲げ部分８２ａ〜８２ｃの厚みを同一としても、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂの第１折曲げ部分８２ａ寄りの基端部に対して、各遊端部が近接し、または離反する方向に容易に曲げ変形させることができるので、熱変形を吸収して、導電部８の熱膨張による曲げ変形および捩り変形などの変形を許容し、熱変形に対する耐性の高いセルスタック装置１を実現することができる。

なお、図１〜図３においては、セルスタック装置１が２つのセルスタック２を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック２を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１を、後述する改質器を含むものとすることもできる。

また、マニホールド４は燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケースと、内側に燃料電池セル３を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体とを備えている。

燃料電池セル３の一端部（図３の下端部）は枠体で囲まれており、枠体の内側に充填された絶縁性接着材９で燃料電池セル３の下端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック２は、枠体の内側に複数の燃料電池セル３を並べて収容し、絶縁性接着材９で枠体に接着されている。なお、絶縁性接着材９は、ガラス等の材料からなり、熱膨張係数を加味して所定のフィラーを添加したものを用いることができる。

また、マニホールド４の上面には、後述する改質器にて生成された燃料ガスが流通するガス流通管５が接続されている。なお、セルを電解セルとして用いる場合には、このガス流通管５内に水蒸気を流すことができる。これら燃料ガスや水蒸気は、ガス流通管５を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路１５に供給される。

ここで、燃料電池セル３は、図３（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体（以下、「支持体」と略す場合がある）１４の一方の平坦面上に燃料側電極層１０、固体電解質層１１及び空気側電極層１２を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ１３が設けられており、インターコネクタ１３の外面（上面）にはＰ型半導体層１６が設けられている。Ｐ型半導体層１６を介して、導電部材６ａをインターコネクタ１３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。なお、図１では導電部材６、スタック支持体７の記載を省略している。また、支持体は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。

燃料側電極層１０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、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）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１１は、燃料側電極層１０、空気側電極層１２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％の希土類元素酸化物が固溶した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。

空気側電極層１２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。空気側電極層１２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。

支持体１４としては、燃料ガスを燃料側電極層１０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１３を介して導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１４としては、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。燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層１０または固体電解質層１１との同時焼成により支持体１４を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持体１４を形成することが好ましい。また、図３に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持体１４は、立設方向（図１に示すＹ方向）に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持体１４は、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。また、支持体１４の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層１６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１３を構成する材料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１６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ１３は、上述したとおり、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）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化に対する耐性を有している。また、インターコネクタ１３は支持体１４に形成されたガス流路１５を流通する燃料ガス、および支持体１４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。

そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材およびセルスタック支持体７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４は、本実施形態のセルスタック装置１８を備えてなるモジュール（燃料電池モジュール）の一例を示す外観斜視図であり、図５は図４に示すモジュールの断面図である。

図４に示すモジュール１７においては、収納容器１９の内部に、本実施形態のセルスタック装置１８が収納されている。なお、セルスタック装置１８の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器２０が配置されている。

また、図４に示す改質器２０においては、原燃料供給管２３を介して供給される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。なお、改質器２０は、改質効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部２１と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部２２とを備えている。

また図４においては、収納容器１９の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置１８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図４に示したモジュール１７においては、セルスタック装置１８を、収納容器１９内にスライドして収納することが可能である。

なお、収納容器１９の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック２の間に配置され、第１ガスである酸素含有ガスが燃料電池セル３間を下端部から上端部に向けて流れるように、第１ガス供給部である酸素含有ガス供給部材２４が配置されている。

図５に示すように、モジュール１７を構成する収納容器１９は、内壁２５と外壁２６とを有する二重構造で、外壁２６により収納容器１９の外枠が形成されるとともに、内壁２５によりセルスタック装置１８を収納する収納室２７が形成されている。

ここで、収納容器１９は、外部より導入される酸素含有ガスを収納室２７に導入するための第１ガス導入部である酸素含有ガス導入部２８を備えている。酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７の側方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス導入部２８とつながる第１ガス流通部である酸素含有ガス流通部２９を上方に向けて流れる。続いて収納室２７の上方における内壁２５と外壁２６とにより設けられ、酸素含有ガス流通部２９とつながる第１ガス分配部である酸素含有ガス分配部３０を流れる。そして、酸素含有ガス分配部３０には、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部３１とを備え、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口３２が設けられてなる酸素含有ガス供給部である酸素含有ガス供給部材２４が、内壁２５を貫通して挿入されて固定されている。それにより、酸素含有ガス分配部３０と酸素含有ガス供給部材２４とがつながっている。なお、フランジ部３１と内壁２５との間には断熱部材３３が配置されている。

なお、図５においては、酸素含有ガス供給部材２４が、収納容器１９の内部に並置された２つのセルスタック２間に位置するように配置されているが、セルスタック２の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器１９内にセルスタック２を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス供給部材２４を２つ設け、セルスタック２を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また収納室２７内には、モジュール１７内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１７内の温度を高温に維持するための断熱部材３３が適宜設けられている。

断熱部材３３は、セルスタック２の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック２の側面側に配置するとともに、セルスタック２の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材３３を配置することが好ましい。なお、セルスタック２の両側面側に断熱部材３３を配置することが好ましい。それにより、セルスタック２の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス供給部材２４より導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック２を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック２の両側面側に配置された断熱部材３３においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック２の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を低減するための開口部３４が設けられている。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁２５の内側には、排ガス用内壁３５が設けられており、収納室２７の側方における内壁２５と排ガス用内壁３５との間が、収納室２７内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流通部３６とされている。

また、収納室２７の下方であって、酸素含有ガス導入部２８の上方には、排ガス流通部３６とつながる排ガス収集部３７が設けられている。排ガス収集部３７は、収納容器１９の底部に設けられた排気孔３８と通じている。また、排ガス用内壁３５のセルスタック２側にも断熱部材３３が設けられている。

それにより、モジュール１７の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流通部３６、排ガス収集部３７を流れた後、排気孔３８より排気される構成となっている。なお、排気孔３８は収納容器１９の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。

また、酸素含有ガス供給部材２４の内部には、セルスタック２近傍の温度を測定するための熱電対３９が、その測温部４０が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。

また、上述の構成のモジュール１７においては、燃料電池セル３におけるガス流路１５より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器２０との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器２０を温めることができ、改質器２０で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、モジュール１７内の温度は５００〜８００℃程度となる。

ここで、燃料電池セル３の発電効率を向上するにあたり、酸素含有ガスが流れる各流路は、酸素含有ガスが効率よく流れる構造とすることが好ましい。すなわち、図５に示すモジュール１７においては、酸素含有ガス導入部２８に導入され、収納室２７の両側方を流れて、酸素含有ガス分配部３０を介して酸素含有ガス供給部材２４に導入される酸素含有ガスが効率よく流れ、かつ均等に分配されるような構造とすることが好ましい。

従って、本実施形態のモジュール１７においては、まず酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１と、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２とを比較した場合に、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２が、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１よりも狭くなっている。それにより、酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスを、効率よく酸素含有ガス流通部２９に流すことができる。

ここで、酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２は、収納容器１９の経時劣化により内壁２５や外壁２６が変形しても閉塞されない幅とすることが好ましく、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、酸素含有ガス導入部２８の幅Ｗ１については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、収納室２７のそれぞれの側方に位置する酸素含有ガス流通部２９の幅Ｗ２は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることが好ましい。それにより、酸素含有ガス導入部２８に導入された酸素含有ガスは、収納室２７のそれぞれの側方にほぼ同じ量が流れることとなる。

次に、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３と酸素含有ガス供給部材２４の幅（内幅）Ｗ４とを比較した場合に、酸素含有ガス供給部材２４の幅Ｗ４が、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３よりも狭くなっている。それにより、酸素含有ガス分配部３０に導入された酸素含有ガスを、効率よく酸素含有ガス供給部材２４に流すことができる。

ここで、酸素含有ガス供給部材２４の幅Ｗ４は、経時劣化により酸素含有ガス供給部材２４が変形しても閉塞されない幅とすることが好ましく、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３と比較して、１／２〜１／３０の範囲とすることができる。なお、酸素含有ガス分配部３０の幅Ｗ３については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。なお上記幅を決定するにあたっては、酸素含有ガス流出口３２の圧損も考慮することが好ましい。

一方、収納室２７においては、発電に利用されなかった燃料ガスや酸素含有ガス、その燃料ガスを燃焼して生じる燃焼ガス等の排ガス等が生じる。この排ガスについても、効率よく収納容器１９の外部に排出することで、結果的に燃料電池セル３に効率よく酸素含有ガスが供給されることとなる。

それゆえ、本実施形態のモジュール１７においては、収納室２７の側方に設けられた排ガス流通部３６の幅Ｗ５と、収納室２７の下方に設けられた排ガス収集部３７の幅Ｗ６とを比較した場合に、排ガス流通部３６の幅Ｗ５が、排ガス収集部３７の幅Ｗ６よりも狭くなっている。それにより、収納室２７のそれぞれの側方における排ガス流通部３６を流れた排ガスが、排ガス収集部３７にて効率よく混合され、排気孔３８を介して外部に効率よく廃棄されることとなる。

ここで、排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、経時劣化により排ガス流通部３６が変形しても閉塞されない幅とすることが好ましく、排ガス収集部３７の幅Ｗ６と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス収集部３７の幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、収納室２７のそれぞれの側方に位置する排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることが好ましい。それにより、収納室２７における排ガスが、収納室２７のそれぞれの側方にほぼ同じ量が流れることとなる。

また、上記モジュール１７の収納室２７にセルとして水蒸気と電圧を加えることにより水素を生成することができる電解セルを配列してなる電解セルスタック装置を収納してなる電解モジュールとすることもできる。この場合、水蒸気より水素が生成される際の副産物として酸素が電解セルより排出される。しかしながら、収納室２７に高濃度の酸素が存在すると、何らかの衝撃等により発火するおそれや、また電解セル自身が酸化により劣化するおそれがある。

それゆえ、この場合において、第１ガスとして空気を用い、収納室２７内を空気でパージする（言い換えれば、高濃度の酸素と入れ替える）ことで、発火のおそれや、電解セルの劣化を抑制することができる。すなわち、この場合においては、高濃度の酸素を含むガスが排ガスとなる。このように、電解セルスタック装置を備える電解モジュールにおいても、効率（電解効率）のよいモジュールとすることができる。

図６は、本実施形態のモジュールの他の一例を示す断面図である。図６に示すモジュール４１は、図５に示すモジュール１７と比較して、収納室４２内に４つのセルスタック装置４３を備える点、各セルスタック装置４３の間に排ガス流通部材４４が設けられている点、図７に示すように４つのセルスタックの上方に１つの改質器４５が設けられている点で異なっている。なお、図５に示すモジュール１７と同じ構成については同じ符号を用い、説明は省略する。

収納室４２内に複数のセルスタック装置４３を収納してなる場合には、特に中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から、収納室４２の側方に位置する排ガス流通部３６までの距離が長くなってしまい、中央部側に位置するセルスタック装置４３における燃料電池セル３から排出される排ガスを、効率よく外部に排出することが難しい場合がある。

特に燃料電池セル３の上端側で、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させて、その燃焼熱によって燃料電池セル３の温度を高温に維持する構成の燃料電池装置では、燃料電池セル３の上端側に排ガスが滞留することで、発電に使用されなかった燃料ガスをうまく燃焼させることができず、失火するおそれがある。特に失火を生じた場合には、燃料電池セルの温度が上昇せず、もしくは高温に維持することができず、結果として燃料電池セル３（セルスタック装置４３）の発電量が低下してしまうおそれがある。

それゆえ、図６に示すモジュール４１においては、上記の排ガス流通部３６に加えて、隣接するセルスタック装置４３の間に、発電に使用されなかった排ガスを排出するための排ガス流通部材４４が設けられている。

この排ガス流通部材４４は、筒状の容器からなり、上端部に収納室４２と連通する排ガス流入口４６を両側方に備えるとともに、下端である排出口４７が収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７と連通している。なお、図６においては、直方体状でかつ筒状の容器にて排ガス流通部材４４を形成した例を示しているが、円筒状の容器を複数配列した構成としてもよい。

すなわち、それぞれのセルスタック装置４３の側方には、排ガス流通部３６もしくは排ガス流通部材４４のいずれかが配置されており、発電で使用されなかった排ガスは、それぞれのセルスタック装置４３を構成するセルスタック２にとって近い側の排ガス流通部３６、または排ガス流通部材４４に効率よく流れることとなる。

それにより、燃料電池セル３の上端側に排ガスが滞留することを抑制でき、排ガスを効率よく排気することができるとともに、燃料電池セル３の上方で燃焼させる構成のセルスタック装置４３においては、失火を抑制することができることから、発電量が向上したモジュール４１とすることができる。

なお、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７と、収納室４２の下方に設けられた排ガス収集部３７の幅Ｗ６とを比較した場合に、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７が、排ガス収集部３７の幅Ｗ６よりも狭くなっている。それにより、排ガス流通部材４４を流れた排ガスが、排ガス収集部３７にて効率よく混合され、排気孔３８を介して外部に排気されることとなる。

具体的には、排ガス流通部材４４の幅Ｗ７は、排ガス収集部３７の幅Ｗ６と比較して１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス収集部３７の幅Ｗ６については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

なお、それぞれの排ガス流通部材４４の幅Ｗ７は、それぞれを比較した場合に±１０％の範囲内とすることが好ましい。それにより、それぞれの排ガス流通部材４４にほぼ同じ量の排ガスが流れることとなる。

図７は、図６に示すモジュールに収納された改質器を抜粋して示す斜視図であり、図８は、本実施形態のセルスタック装置の上方に図７に示す改質器を備える構成の一例を示す側面図である。

図６に示すモジュール４１においては、４つのセルスタック２の上方に、図７に示すＷ字状（ミアンダ形状）の改質器４５を備えている。

改質器４５は、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、水を気化して水蒸気を生成する気化部４５ａと該気化部４５ａで発生した水蒸気を用いて原燃料を水蒸気改質する改質部４５ｂとを具備している。

気化部４５ａは、水蒸気が一端側より他端側に流れる気化部往路４５ａ１と、水蒸気が他端側より一端側に流れる気化部復路４５ａ２とを備えている。また、気化部往路４５ａ１には、内部に一端部から気化部往路４５ａ１に沿って突出する筒状部４８ａと、一端部に接続され、筒状部４８ａに水を供給する水供給部４８ｂとを備えている。なお、筒状部４８ａは、気化部を構成する管体より内側に突出するように設けて、この筒状部４８ａに水供給部４８ｂである水供給管を接続するほか、水供給部４８ｂである水供給管を外部より内部に挿入して、水供給管の一部が筒状部４８ａとなる構成であってもよい。以下の説明においては、水供給管４８が外部より内部に挿入した構成を用いて説明する。

また、改質部４５ｂは、原燃料供給部である原燃料供給管２３より供給された原燃料を改質して生成された改質ガスが一端側より他端側に流れる改質部往路４５ｂ１と、改質ガスが他端側より一端側に流れる改質部復路４５ｂ２とを備えており、改質部復路４５ｂ２には、改質ガスを導出するための改質ガス導出管４９が接続されている。図８に示す改質器４５において、水供給管４８、原燃料供給管２３および改質ガス導出管４９は、改質器４５の一方側に接続されている。

さらに改質器４５においては、気化部往路４５ａ１の他端側と気化部復路４５ａ２の他端側とが連結路（以下、「気化部連結路」という。）４５ｃ１で連結され、気化部復路４５ａ２の一端側と改質部往路４５ｂ１の一端側とが連結路（以下、「気化改質部連結路」という。）４５ｃ２で連結され、改質部往路４５ｂ１の他端側と改質部復路４５ｂ２の他端側とが連結路（以下、「改質部連結路」という。）４５ｃ３で連結されており、気化部往路４５ａ１と、気化部復路４５ａ２と、改質部往路４５ｂ１と、改質部復路４５ｂ２とが、側方が対向するように並置されている。

改質器４５では、気化部往路４５ａ１に供給された水が水蒸気となり、気化部連結路４５ｃ１、気化部復路４５ａ２、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部往路４５ｂ１を順に流れ、また、気化改質部連結路４５ｃ２では、原燃料供給部２３ｂである原燃料供給管２３から原燃料が供給され、気化改質部連結路４５ｃ２で水蒸気と混合され、改質部往路４５ｂ１、改質部連結路４５ｃ３、改質部復路４５ｂ２を流れる間に改質され、水素を含む改質ガス（燃料ガス）が生成され、改質ガス導出管４９から導出される。

気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２、気化部連結路４５ｃ１、気化改質部連結路４５ｃ２、改質部連結路４５ｃ３は、例えば、横断面が矩形状の管体から構成されている。

また、気化部往路４５ａ１および気化部復路４５ａ２内に、仕切板４５ａ１１、４５ａ２１がそれぞれ設けられ、これらの仕切板４５ａ１１、４５ａ２１間が気化室とされており、水供給管４８の先端部（筒状部）は仕切板４５ａ１１の上流側に位置し、気化室手前の位置に水を供給している。気化室内には、気化を促進するためセラミックボールが収納されており、仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、水蒸気は通過するが、セラミックボールは通過しないように形成されている。なお、これら仕切板４５ａ１１、４５ａ２１は、改質器の構造や、後述するセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。

さらに、改質部往路４５ｂ１および改質部復路４５ｂ２内にも、それぞれ仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１が配置され、仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１間に位置する改質部往路４５ｂ１、改質部連結路１ｃ３、改質部復路４５ｂ２が改質室とされ、この改質室には改質触媒が収納されている。仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、水蒸気、原燃料、改質ガス等のガスは通過できるが、改質触媒は通過できないように構成されている。なお、これら仕切板４５ｂ１１、４５ｂ２１は、改質器の構造や、後述するセルスタックの構造等に応じて適宜配置を変更することができる。

このような改質器４５においては、気化部４５ａと改質部４５ｂとの間である気化改質部連結路４５ｃ２に、原燃料を供給する原燃料供給部２３ｂである原燃料供給管２３が接続されている。このような改質器４５においては、原燃料供給管２３が、水供給管４８が接続された気化部往路４５ａ１よりも下流側の気化改質部連結路４５ｃ２に接続されているため、水が供給される地点と原燃料が供給される地点とが、気化部往路４５ａ１を構成する管体と気化部復路４５ａ２を構成する管体との間の空間を介しており、また、水蒸気の流れ方向で見れば、流れ方向の長さが長い。従って、原燃料が低温であったとしても、原燃料が追加混合される時には、供給された水は殆ど気化しており、改質器４５の一部（気化部往路４５ａ１）における低温化を抑制できる。それにより、改質効率を向上することができる。

そして、図８に示すように、改質器４５で生成された改質ガス（燃料ガス）は、改質ガス導出管４９により２つのマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。

なお、改質器４５で生成された改質ガスは、図８に示すように、改質ガス導出管４９により、分配器７０を介して２つのマニホールド４に供給される。すなわち、改質ガス導出管４９は、改質器４５から分配器７０までのＵ字状の第１改質ガス導出管４９ａと、分配器７０から下方の２つのマニホールド４にそれぞれ延びる第２改質ガス導出管４９ｂとを具備している。第１改質ガス導出管４９ａ、第２改質ガス導出管４９ｂの長さは、改質ガスをマニホールド４に均等に供給すべく、同じ長さ（圧力損失）とされている。

なお、改質器４５において、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれは、１つのセルスタックと対応して、セルスタックの上方に配置されている。それにより、気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれを効率よく加熱することができる。

また、他の構成（例えば水供給管４８、仕切板の場所等）は適宜変更可能であり、これらの例に限られるものではない。

図９は、本実施形態の燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。

図９に示すモジュール５０は、図６に示すモジュール４１と比較して、各セルスタック装置の間に配置された排ガス流通部材４４を設けておらず、収納室４２の上方に、燃料電池セル３より排出される排ガスを回収する排ガス回収部５１を備えており、排ガス回収部５１と排ガス流通部３６とがつながっている点で異なっている。

図６に示すモジュール４１においては、燃料電池セル３より排出される排ガスを効率よく外部に排出することができるメリットはあるものの、排ガス流通部材４４を流れる排ガスは、外部より供給される酸素含有ガスと熱交換されないことから、外部より供給される酸素含有ガスと、燃料電池セル３より排出される排ガスとの熱交換の点で改善の余地がある。

そこで、図９に示すモジュール５０においては、収納室４２の上方に、燃料電池セル３より排出される排ガスを回収する排ガス回収部５１を設け、該排ガス回収部５１と排ガス流通部３６とがつながっていることで、燃料電池セル３より排出される排ガスの全量が、外部より供給される酸素含有ガスと熱交換することができる。それにより、温度の上昇した酸素含有ガスを燃料電池セル３に供給できることとなり、発電効率を向上させることができる。

ここで、排ガス回収部５１に回収された排ガスは、効率よく排ガス流通部３６に流れる構成とすることが好ましい。それゆえ、本実施形態のモジュール５０においては、収納室４２の側方に設けられた排ガス流通部３６の幅Ｗ５と、排ガス回収部５１の幅Ｗ８とを比較した場合に、排ガス流通部３６の幅Ｗ５が、排ガス回収部５１の幅Ｗ８よりも狭くなっている。それにより、排ガス回収部５１に回収された排ガスが、収納室４２のそれぞれの側方における排ガス流通部３６に効率よく流れることとなる。それにより、酸素含有ガスとの熱交換が向上し、発電効率を向上することができる。

ここで、排ガス流通部３６の幅Ｗ５は、排ガス回収部５１の幅Ｗ８と比較して、１／３〜１／３０の範囲とすることができる。なお、排ガス回収部５１の幅Ｗ８については特に制限はないが、大きすぎるとモジュールが大型化する問題がある。

また、この排ガス回収部５１の底面には、収納室４２とつながる回収孔５２が設けられている。それにより、収納室４２に排出された排ガスは、回収孔５２を介して排ガス回収部５１に流れることとなる。

図１０は、排ガス回収部５１の底面を一部抜粋して示す平面図を示しており、改質器４５との位置関係が分かるように、改質器４５を破線で示している。

図１０に示すように、排ガス回収部５１の底面に設けられた回収孔５２は、改質器４５と対向して設けられていることが好ましい。上述したように燃料電池セル３より排出される排ガスを燃焼させて生じる燃焼熱で改質器４５を加熱することで、改質効率を向上することができる。従って、燃料電池セル３より排出される排ガス（燃焼排ガス）は、改質器４５の周囲を流れた後に、排ガス回収部５１に流れることが好ましい。

そこで、本実施形態のモジュール５０においては、回収孔５２を、改質器４５と対向して設けている。それにより、燃料電池セル３より排出される排ガス（燃焼排ガス）が効率よく改質器４５の周囲を流れた後に、排ガス回収部５１に流れることとなる。それにより、改質器４５の温度を効率よく向上することができ、改質効率を向上することができる。

なお、図１０においては、改質器４５における気化部往路４５ａ１、気化部復路４５ａ２、改質部往路４５ｂ１、改質部復路４５ｂ２のそれぞれに対向して同じ数の回収孔５２を設けた例を示しているが、回収孔５２の数はこれに限られるものではない。

例えば、改質器４５において、気化部往路４５ａ１は水の気化に伴う吸熱反応により温度が低下し、ひいてはその下方に位置するセルスタック２の温度も低下するおそれがあることから、気化部往路４５ａ１の温度を上昇させるべく、気化部往路４５ａ１に対向する回収孔５２の数を多くしてもよい。なお、回収孔５２の数や配置は適宜設定することができる。

図１１は、外装ケース内にモジュール１７、４１、５０のいずれかと、各モジュールを動作させるための補機とを収納してなるモジュール収容装置としての燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１１においては一部構成を省略して示している。

図１１に示す燃料電池装置５３は、支柱５４と外装板５５とから構成される外装ケース内を仕切板５６により上下に区画し、その上方側を上述した各モジュールを収納するモジュール収納室５７とし、下方側を各モジュールを動作させるための補機類を収納する補機収納室５８として構成されている。なお、補機収納室５８に収納する補機類は省略して示している。

また、仕切板５６には、補機収納室５８の空気をモジュール収納室５７側に流すための空気流通口５９が設けられており、モジュール収納室５７を構成する外装板５５の一部に、モジュール収納室５７内の空気を排気するための排気口６０が設けられている。

このような燃料電池装置では、上述したような各モジュールを外装ケース内に収納することにより、発電効率を向上した燃料電池装置５３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、上記形態のモジュール４１、５０では、４個のセルスタック２の上方に１個の改質器４５を配置したセルスタック装置を具備する形態について説明したが、例えば、２個または３個のセルスタック２の上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良く、さらに、５個以上のセルスタックの上方に１個の改質器を配置したセルスタック装置でも良い。この場合、改質器の形状は適宜変更すればよい。

さらに、１個のマニホールド４に２個のセルスタック２を配置した形態について説明したが、１個のマニホールドに１個のセルスタックを配置しても良く、また、１個のマニホールドに３個以上のセルスタックを配置しても良い。

さらに、上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルを用いることもできる。

例えば、上記形態では燃料電池セル３、燃料電池セルスタック装置１、モジュール１７、４１、５０ならびに燃料電池装置５３について説明したが、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ_２）を生成する電解セル（ＳＯＥＣ）およびこの電解セルを備える電解セルスタック装置および電解モジュールならびに電解装置にも適用することができる。

導電部の他の例として、図１２および図１３に示されるように、第３折曲げ部分８２ｃの厚みを第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂの厚みよりも小さい、局部的に厚みの小さい部分を有する構成としてもよい。この場合、第３折曲げ部分８２ｃの厚みは、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｃの厚みに対して、たとえば５０〜８０％に選ばれる。これによって、第３折曲げ部分８２ｃは、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂに比べて曲げ剛性が小さくなるので、導電部８に発生した応力に対して曲がりやすくなり、熱変形に対する応答性を向上することができる。なお、第１折曲げ部分８２ａは、スタック支持体７の導電端子にボルトなどによって接合されてもよい。

導電部のさらに他の例として、図１４に示されるように、第３折曲げ部分８２ｃの幅を第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂの幅よりも小さい、局部的に幅の小さい部分を有する構成としてもよい。この場合、第３折曲げ部分８２ｃの幅は、第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｃの幅に対して、たとえば６０〜８０％に選ばれる。これによって、第３折曲げ部分８２ｃを第１および第２折曲げ部分８２ａ，８２ｂに比べて曲げ剛性が小さくなるので、導電部８に発生する応力に対して曲がりやすく、熱変形に対する応答性を向上することができる。なお、第１折曲げ部分８２ａ、スタック支持体７の導電端子に溶接などによって接合されてもよい。

さらに、上記各形態では、燃料電池セル３、セルスタック装置１，４３、モジュール１７，４１，５０および燃料電池装置５３について説明したが、前述ように、セルに水蒸気と電圧とを付加して、水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ_２）とを生成する電解セル（ＳＯＥＣ）、この電解セルを備える電解セルスタック装置、電解モジュールおよびモジュール収容装置に対しても、本発明を好適に実施することができる。この場合においても、前述と同様に、導電部の熱変形に対する耐性を向上することができる。

１，４３ セルスタック装置
２ セルスタック
３ セル
７ スタック支持体
１７，４１，５０ モジュール
１９ ：収納容器
２０，４５ 改質器
２４ 酸素含有ガス供給部
２７，４２ 収納室
２８ 酸素含有ガス導入部
２９ 酸素含有ガス流通部
３０ 酸素含有ガス分配部
３６ 排ガス流通部
３７ 排ガス収集部
４４ 排ガス流通部材
５１ 排ガス回収部
５２ 回収孔
５３ 燃料電池装置
８１ 第１直線部
８２ 折曲げ部８２
８２ａ 第１折曲げ部分
８２ｂ 第２折曲げ部分
８２ｃ 第３折曲げ部分
８３ 第２直線部８３

Claims (7)

1. 複数の柱状のセルが予め定める配列方向に沿って設けられてなるセルスタックと、
   前記配列方向の最も外側に配置されたセルに接続されるスタック支持体と、
   前記スタック支持体から突出し、前記スタック支持体から離反する方向に一直線状に延びる第１直線部と、該第１直線部に連なり、凹状に曲折した折曲げ部と、該折曲げ部に連なり、一直線状に延びる第２直線部とを有する導電部と、を含むことを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記折曲げ部は、局部的に厚みの小さい薄肉部を有す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. 前記折曲げ部は、局部的に幅が小さい細幅部を有す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。
4. 前記折曲げ部は、前記第１直線部に屈曲して連なる第１折曲げ部分と、前記第２直線部に屈曲して連なる第２折曲げ部分と、前記第１折曲げ部分と前記第２折曲げ部分とを接続する第３折曲げ部分とを有し、
   前記第３折曲げ部分の長さＬ３は、前記第１折曲げ部分の長さＬ１の１０〜３０％に選ばれ、かつ前記第２折曲げ部分の長さＬ２の１０〜３０％に選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
5. 前記導電部は、帯状の導電性金属から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
6. 収納容器内に、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 外装ケース内に、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とするモジュール収容装置。

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