JP2019102121A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】筒状の燃料電池セルを接続部材により電気的に接続するものにおいて、集電効率の向上を図る。【解決手段】内側電極層と電解質層と外側電極層とがこの順で筒状に積層されて両端から内側電極層が突出するように構成される複数の燃料電池セルと、第１集電部と第２集電部と連結部とを有し隣り合う２つの燃料電池セルを電気的に接続する接続部材として燃料ガスの供給側に配置される供給側接続部材および燃料ガスの排出側に配置される排出側接続部材と、を備える燃料電池スタックにおいて、供給側接続部材の第２集電部が外側電極層に接続される供給側接続位置と、排出側接続部材の第２集電部が外側電極層に接続される排出側接続位置とが、燃料電池セルの軸方向の中心に対して非対称となるように、供給側接続部材の連結部と排出側接続部材の連結部とを異なる長さに構成する。【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来、この種の燃料電池スタックとしては、内側電極層と電解質層と外側電極層とがこの順で筒状に積層され、一端から内側電極層内に供給される燃料ガスが他端に流れる燃料電池セルを複数備え、隣り合う燃料電池セルを接続部材により電気的に接続するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池スタックでは、接続部材が、隣り合う燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの内側電極層に電気的に接続される第１集電部と、他方の燃料電池セルの外側電極層に電気的に接続される第２集電部と、第１集電部と第２集電部とを連結する連結部とを有する。そして、燃料電池セルの軸方向の両端において軸端からの距離が同じ位置に、接続部材を取り付けるものとしている。

特開２０１１−２１０６３２号公報

しかしながら、上述した燃料電池セルでは、燃料ガスは内側電極層内を流れるうちに発電反応に利用されていくから、燃料電池セルの軸方向において燃料ガスの濃度差が生じ、発電出力に差が出ることになる。また、発電反応に利用されなかった余剰の燃料ガスを他端から放出して燃焼させる場合、燃焼熱により他端側が一端側よりも温度が上昇するため、燃料電池セルが活性化し発電出力が高くなる傾向にある。このように、燃料電池セルの一端側と他端側とで発電出力の傾向に違いが生じるため、接続部材の接続位置によって集電効率が変化することが考えられる。このため、集電効率を向上させるために、なお改善の余地がある。

本発明は、筒状の燃料電池セルを接続部材により電気的に接続するものにおいて、集電効率の向上を図ることを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の燃料電池スタックは、アノードである内側電極層と電解質層とカソードである外側電極層とがこの順で筒状に積層されて両端から前記内側電極層が突出するように構成され、一端から前記内側電極層内に燃料ガスが供給されると共に発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを他端から排出する複数の燃料電池セルと、隣り合う２つの前記燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの軸端で突出する前記内側電極層に電気的に接続される第１集電部と、他方の燃料電池セルの前記外側電極層に電気的に接続される第２集電部と、前記第１集電部と前記第２集電部とを連結する連結部と、を有し、隣り合う前記燃料電池セルを電気的に接続する接続部材として、燃料ガスの供給側に配置される供給側接続部材および燃料ガスの排出側に配置される排出側接続部材と、を備える燃料電池スタックであって、前記供給側接続部材の前記第２集電部が前記外側電極層に接続される供給側接続位置と、前記排出側接続部材の前記第２集電部が前記外側電極層に接続される排出側接続位置とが、前記燃料電池セルの軸方向の中心に対して非対称であることを要旨とする。

本発明の燃料電池スタックでは、燃料ガスの供給側に配置される供給側接続部材の第２集電部が外側電極層に接続される供給側接続位置と、燃料ガスの排出側に配置される排出側接続部材の第２集電部が外側電極層に接続される排出側接続位置とが、燃料電池セルの軸方向の中心に対して非対称である。これにより、燃料電池セルの軸方向における一端側と他端側とにおける発電出力の傾向の違いなどに応じた適切な接続位置で、各接続部材の第２集電部を外側電極層に接続することができる。したがって、筒状の燃料電池セルを接続部材により電気的に接続するものにおいて、集電効率の向上を図ることができる。

本発明の燃料電池スタックにおいて、前記供給側接続位置および前記排出側接続位置は、前記供給側接続位置が前記排出側接続位置よりも前記燃料電池セルの軸方向の中心に近くなるように設けられるものとしてもよい。ここで、第２集電部と外側電極層との接続位置を変更すると、発電により生じた電流が第２集電部に集電されるまでの移動距離が変わるため電流の移動ロスが変化する。燃料ガスの供給側では、排出側よりもガス濃度が高く比較的広範囲で十分な発電出力が得られるため、燃料電池セル内の電流の移動ロスを抑えることができるように、軸方向の端部側よりも中心側で集電した方が、集電効率の向上が見込まれる。一方で、ガス濃度が低下する排出側は、供給側よりも発電出力が小さくなっている。また、排出された燃料ガスの燃焼熱により他端側で温度が上昇して、他端側に近い部分が活性化することになる。このため、軸方向の中心側よりも端部側で集電した方が集電効率の向上が見込まれる。したがって、供給側接続位置を排出側接続位置よりも燃料電池セルの軸方向の中心に近くすることで、供給側接続部材と排出側接続部材のそれぞれに適した接続位置で外側電極と接続することができるから、集電効率を向上させることができる。

本発明の燃料電池スタックにおいて、前記連結部は、前記燃料電池セルの軸方向に延在し、前記供給側接続部材の前記連結部と前記排出側接続部材の前記連結部とを異なる長さに構成するものとしてもよい。こうすれば、簡易な構成で、燃料電池セルの軸方向における一端側と他端側とを適切な接続位置とすることができる。

本発明の燃料電池スタックにおいて、前記連結部は、前記燃料電池セルの軸方向に延在し、前記供給側接続部材の前記連結部は、前記排出側接続部材の前記連結部よりも長いものとしてもよい。こうすれば、簡易な構成で、供給側接続位置を排出側接続位置よりも燃料電池セルの軸方向の中心に近くすることができる。

本実施形態の発電モジュール１０の構成の概略を示す構成図である。 燃料電池セル４０の部分断面図である。 下部接続部材６０の平面図である。 下部接続部材６０の正面図である。 上部接続部材７０の平面図である。 下部接続部材６０と上部接続部材７０の接続位置を示す説明図である。 規格化ガス濃度の変化の一例を示す説明図である。 電流密度向上率の変化の一例を示す説明図である。 電流密度向上率の変化の一例を示す説明図である。 規格化電流密度の変化の一例を示す説明図である。 従来形態の接続部材１７０の接続位置を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態について説明する。

図１は本実施形態の発電モジュール１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は燃料電池セル４０の部分断面図である。発電モジュール１０は、図１に示すように、水蒸気を生成する気化器２２と、天然ガスやＬＰガスなどの原燃料ガスを水蒸気改質反応により改質して水素を含む燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器２４と、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを反応させて発電する複数の燃料電池セル４０がスタッキングされた燃料電池スタック３０と、燃料ガス供給管２６を介して改質器２４と接続され改質器２４からの燃料ガスを各燃料電池セル４０に分配する燃料ガスマニホールド３４と、酸化剤ガスを各燃料電池セル４０に分配する酸化剤ガスマニホールド３８と、を備え、これらは、モジュールケース１１に収容されている。なお、発電モジュール１０は、その発電に伴って発生した熱を回収して給湯する図示しない給湯ユニット（貯湯タンク）と組み合わされることにより、燃料電池システムを構成する。

モジュールケース１１は、断熱性材料により箱形に形成され、原燃料ガス供給管１２と改質水供給管１４と空気供給管１６とが接続されている。原燃料ガス供給管１２は、供給源からの原燃料ガスを気化器２２へ供給する配管であり、その配管には開閉弁やポンプ、流量計、圧力計、脱硫器などが設けられている。改質水供給管１４は、改質水を気化器２２へ供給する配管であり、その配管には改質水タンクやポンプなどが設けられている。空気供給管１６は、酸化剤ガスとしてのエアを酸化剤ガスマニホールド３８へ供給する配管であり、その配管にはエアブロワや流量計などが設けられている。

また、モジュールケース１１には、気化器２２による水蒸気の生成や改質器２４による水蒸気改質反応などに必要な熱を供給するための燃焼部２８が設けられている。燃焼部２８は、燃料電池セル４０の発電反応に利用されなかった余剰の燃料ガス（アノードオフガス）および酸化剤ガス（カソードオフガス）を点火して燃焼させることにより、気化器２２や改質器２４を加熱する。燃焼部２８の燃焼により生成される燃焼排ガスは、モジュールケース１１の上部に設けられた燃焼排ガス排出管１８を介してケース外へ排出される。なお、燃焼排ガス排出管１８には図示しない熱交換器が接続され、熱交換器は、循環配管を介して貯湯タンクから供給される貯湯水を燃焼排ガスとの熱交換によって加温する。また、熱交換器を通過した燃焼排ガスは、貯湯水との熱交換によって凝縮され、その凝縮水が改質水タンクへ回収される。

燃料電池セル４０は、図２に示すように、酸素イオン伝導体からなる緻密構造の円筒状の電解質層４２と、電解質層４２の内側に積層されたアノードとしての多孔質構造の燃料電極層（内側電極層）４４と、電解質層４２の外側に積層されたカソードとしての多孔質構造の酸化剤電極層（外側電極層）４６と、を備える円筒型の固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）セルとして構成されている。燃料電池セル４０の上下方向（長手方向）における両端部には燃料電極層４４と電気的に接続される集電用のキャップ５０が取り付けられる。隣り合う２つの燃料電池セル４０は、一方の燃料電池セル４０のキャップ５０（燃料電極層４４）と他方の燃料電池セル４０の酸化剤電極層４６とが、接続部材（後述する下部接続部材６０および上部接続部材７０）により接続されることで、電気的に接続される。また、全ての燃料電池セル４０は、接続部材を介して直列に接続される。即ち、燃料電池スタック３０は、複数の燃料電池セル４０と、燃料電池セル４０を接続する複数の接続部材とを備える。燃料電極層４４の内部には燃料ガスが流れる燃料ガス流路４４ａが形成されており、燃料電池セル４０は、燃料ガス流路４４ａと燃料ガスマニホールド３４とが連通するように燃料ガスマニホールド３４の支持板３６に立設されている。

電解質層４２は、例えば、Ｙ，Ｓｃ，Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニア、Ｇｄ，Ｙ，Ｓｍなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリア、Ｎｉ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレート、などを用いることができる。

燃料電極層４４は、例えば、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＹ，Ｓｃ，Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＧｄ，Ｙ，Ｓｍなどの希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＳｒ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレートとの混合体、などを用いることができる。

酸化剤電極層４６は、例えば、Ｓｒ，Ｃａから選ばれる１種または２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１種または２種以上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１種または２種以上をドープしたランタンコバルタイト、Ｓｒ，Ｆｅから選ばれる１種または２種をドープしたバリウムコバルタイト、銀、銀−パラジウム合金、白金、などを用いることができる。

なお、電解質層４２と酸化剤電極層４６との間には、ガドリニウムをドープしたセリア（ＧＤＣ）、イットリアをドープしたセリア（ＹＤＣ）、サマリウムをドープしたセリア（ＳＤＣ）などの希土類をドープしたセリア混合体を用いた反応防止層を設けることも好適である。

キャップ５０は、フェライト系ステンレスなどの導電性を有する金属材料により有底円筒状に形成されている。キャップ５０は、環状の底部５２と、底部５２の外周側から軸方向に円筒状に延在する外筒部５４と、底部５２の内周側（中央）から外筒部５４とは逆方向に円筒状に延在する内筒部５６とを有し、底部５２と外筒部５４と内筒部５６とが一体的に形成されている。燃料電池セル４０の下端に取り付けられるキャップ５０の内筒部５６は、燃料電池セル４０が燃料ガスマニホールド３４の支持板３６に立設された状態で燃料ガスマニホールド３４内に挿入され、燃料ガスマニホールド３４からの燃料ガスを燃料ガス流路４４ａ内に導入する。導入された燃料ガスは、燃料ガス流路４４ａを下方から上方に向かって流れながら、発電反応に利用される。また、燃料電池セル４０の上端に取り付けられるキャップ５０の内筒部５６は、燃料電池セル４０を通過した余剰の燃料ガスを燃焼部２８に放出する。

図２に示すように、燃料電池セル４０の電解質層４２の両端部は酸化剤電極層４６の両端部から外方に突出すると共に燃料電極層４４の両端部は電解質層４２の両端部よりも外方に突出している。キャップ５０には、電解質層４２と燃料電極層４４の各端部が挿入され、キャップ５０の底部５２には、燃料電極層４４の端部が当接する。キャップ５０の外筒部５４の内周面と燃料電極層４４の外周面との間は、導電性接合層４８によって電気的に接続される。導電性接合層４８は、例えば、白金、銀、銅、銀−パラジウム合金などの導電性ペーストやランタンクロマイトなどの導電性セラミックを用いて形成することができる。また、導電性接合層４８として、導電性耐熱接着剤を用いるものとしてもよい。なお、導電性接合層４８とキャップ５０との隙間を封止するためのガラスシール層が設けられるものなどとしてもよい。

ここで、本実施形態では、隣り合う燃料電池セル４０を接続するための接続部材として、燃料ガスの供給側（上流側）となる図１の下部に取り付けられる下部接続部材６０と、燃料ガスの排出側（下流側）となる図１の上部に取り付けられる上部接続部材７０とを備える。図３は下部接続部材６０を示す平面図であり、図４は下部接続部材６０を示す正面図であり、図５は上部接続部材７０を示す平面図である。また、図６は下部接続部材６０と上部接続部材７０との接続位置を示す説明図である。下部接続部材６０と上部接続部材７０は、プレス成形されたステンレスなどの導電性金属板に表面処理を行うことにより形成されており、それぞれ単独で隣り合う２つの燃料電池セル４０を電気的かつ機械的に接続可能なものである。なお、表面処理は、メッキや電着、溶射等で行われればよい。図３および図５に示すように、下部接続部材６０と上部接続部材７０は、それぞれ、一体に成形された第１集電部６１，７１、第２集電部６２，７２および連結部６３，７３を有する。第１集電部６１，７１は、接続対象となる２つの燃料電池セル４０の一方のキャップ５０（燃料電極層４４）に電気的に接続され、第２集電部６２，７２は、当該２つの燃料電池セル４０の他方の酸化剤電極層４６に電気的に接続される。連結部６３，７３は、燃料電池セル４０の軸方向に延在しており、第１集電部６１，７１および第２集電部６２，７２を燃料電池セル４０の長手方向（軸方向）において互いに離間するように電気的かつ機械的に接続する。このため、下部接続部材６０は、主に燃料電池セル４０の下部側の電流を集電し、上部接続部材７０は、主に燃料電池セル４０の上部側の電流を集電するものとなる。下部接続部材６０と上部接続部材７０は、連結部６３，７３の長さが異なるが、第１集電部６１，７１および第２集電部６２，７２は同様に構成されている。このため、以下では、下部接続部材６０を例にとって構成を説明する。

下部接続部材６０の第１集電部６１は、図３および図４に示すように、燃料電池セル４０のキャップ５０の外筒部５４の外周面に接触し当該外周面を部分的に包囲するように形成された接触保持部６１ａを有する。接触保持部６１ａは、図４に示すように、半円筒状に形成されており、半円弧状の断面形状を有する。この接触保持部６１ａの内周面は、接続対象のキャップ５０の外筒部５４の外周面の曲率半径よりも僅かに大きい曲率半径を有するように形成されている。また、第１集電部６１は、接触保持部６１ａから延出されたクランプ部６１ｂと、クランプ部６１ｂと対向するように接触保持部６１ａから延出された平板状のガイド部６１ｃと、を有する。第１集電部６１は、ガイド部６１ｃがキャップ５０の外筒部５４をガイドしつつクランプ部６１ｂが外筒部５４により押し広げられながら、外筒部５４を接触保持部６１ａに入り込ませて、接触保持部６１ａの内周面に接触させる。そして、クランプ部６１ｂとガイド部６１ｃとが弾性力により外筒部５４を押し挟むことで、外筒部５４の外周面と接触保持部６１ａの内周面との接触を保持する。

下部接続部材６０の第２集電部６２は、図３および図４に示すように、燃料電池セル４０の酸化剤電極層４６の外周面に接触し当該外周面を部分的に包囲するように形成された接触保持部６２ａを有する。接触保持部６２ａは、図４に示すように、半円筒状に形成されており、半円弧状の断面形状を有する。この接触保持部６２ａの内周面は、接続対象の酸化剤電極層４６の外周面の曲率半径よりも僅かに大きい曲率半径を有するように形成されている。また、第２集電部６２は、接触保持部６２ａから延出されたクランプ部６２ｂと、クランプ部６２ｂと対向するように接触保持部６２ａから延出された平板状のガイド部６２ｃと、を有する。第２集電部６２は、ガイド部６２ｃが酸化剤電極層４６をガイドしつつクランプ部６２ｂが酸化剤電極層４６により押し広げられながら、酸化剤電極層４６を接触保持部６２ａに入り込ませて、接触保持部６２ａの内周面に接触させる。そして、クランプ部６２ｂとガイド部６２ｃとが弾性力により酸化剤電極層４６を押し挟むことで、酸化剤電極層４６の外周面と接触保持部６２ａの内周面との接触を保持する。

下部接続部材６０の連結部６３は、上部接続部材７０が隣り合う２つの燃料電池セル４０に接続されたときに当該２つの燃料電池セル４０の長手方向に沿って延在するように形成され、第１集電部６１のガイド部６１ｃと第２集電部６２のガイド部６２ｃとの間を繋ぐ。上述したように、下部接続部材６０の連結部６３と、上部接続部材７０の連結部７３とは、長さが異なっている。本実施形態では、図３および図５に示すように、連結部７３よりも連結部６３の方が長くなっている。したがって、図６に示すように、下部接続部材６０の第２集電部７２と酸化剤電極層４６との下部接続位置Ｊａと、上部接続部材７０の第２集電部６２と酸化剤電極層４６との上部接続位置Ｊｂとが、燃料電池セル４０（酸化剤電極層４６）の軸方向における中心Ｃに対して非対称な位置となる。言い換えると、酸化剤電極層４６の下端から下部接続部材６０の第２集電部６２の下端までの下端側距離Ｌａと、酸化剤電極層４６の上端から上部接続部材７０の第２集電部６２の上端までの上端側距離Ｌｂとが異なり、上端側距離Ｌｂよりも下端側距離Ｌａの方が長くなっている。この理由については、後述する。

燃料ガスマニホールド３４は、上部が開口した箱型の部材であり、上部の開口を塞いで密閉空間を形成するように支持板３６が接合されている。支持板３６は、複数の貫通孔３６ａが所定間隔で形成されており、それぞれの貫通孔３６ａにキャップ５０の内筒部５６が貫通するように燃料電池セル４０が挿入され、複数の燃料電池セル４０を立設した状態で支持する。これにより、燃料ガスマニホールド３４は、各燃料電池セル４０の燃料ガス流路４４ａと下方のキャップ５０を介して連通し、燃料ガス供給管２６から供給される燃料ガスを各燃料電池セル４０の燃料ガス流路４４ａに供給（分配）する。燃料ガス流路４４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路４４ａを通過し、余剰の燃料ガスが上方のキャップ５０から燃焼部２８へ排出される。燃料電池セル４０を通過した余剰の燃料ガスは、上述したように、酸化剤ガスと共に燃焼部２８にて燃焼され、燃焼排ガスとして燃焼排ガス排出管１８へ排出される。支持板３６は、例えば、フェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼などの金属材料により形成したり、絶縁性セラミックなど絶縁性材料により形成したりすることができる。

燃料電池セル４０と支持板３６との間、すなわちキャップ５０の底部５２の外面と支持板３６の上面との間には、ガラスシール部３７が形成されている。ガラスシール部３７は、例えば、アルミナ−シリカ系結晶化ガラスなどの耐熱性およびシール性に優れた結晶化ガラスを用いて形成することができる。

酸化剤ガスマニホールド３８は、空気供給管１６と接続されており、各燃料電池セル４０の酸化剤電極層４６に酸化剤ガス（空気）を分配するための複数の供給口３８ａが形成されている。供給口３８ａから供給された酸化剤ガスは、隣り合う燃料電池セル４０の間を上方に向かって流れながら、発電反応に利用される。また、燃料電池セル４０の間を通過した余剰の酸化剤ガスは、燃料ガスと共に燃焼部２８にて燃焼される。

ここで、上述したように下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとを非対称とする理由を説明する。図７は規格化ガス濃度の変化の一例を示す説明図であり、図８，図９は電流密度向上率の変化の一例を示す説明図であり、図１０は規格化電流密度の変化の一例を示す説明図である。図７〜図１０では、横軸に酸化剤電極層４６（外側電極）の下端からの規格化距離をとる。規格化距離は、距離０が酸化剤電極層４６の下端、距離１００が上端を示し、以下では単に距離ともいう。また、図７は縦軸に規格化ガス濃度をとる。規格化ガス濃度は、燃料ガス流路４４ａの供給側（下端側）の最大ガス濃度で規格化したものである。燃料ガス流路４４ａに下方から導入された燃料ガスは、上方に流れながら発電反応に利用されるため、図７に示すように、下端からの距離が増えるにつれて規格化ガス濃度が減少し、ガス濃度の分布は燃料電池セル４０の下端側が高く上端側が低い傾向となる。また、距離０〜７０程度まではガス濃度が比較的高く発電反応が促進され易いために比較的急にガス濃度が減少し、距離７０程度を超えた以降は緩やかに減少する。なお、余剰の燃料ガスが燃焼部２８で燃焼されるから、燃焼部２８に近い上端側は下端側よりも高温となる。即ち、温度の分布は、燃料電池セル４０の下端側が低く上端側が高い傾向となる。

図８は下端側距離Ｌａを変化させた場合の電流密度の向上率を示し、図９は上端側距離Ｌｂを変化させた場合の電流密度の向上率を示し、いずれも縦軸に電流密度の向上率をとる。図８，図９の向上率は、図１１に示す従来形態の燃料電池スタック１３０の電流密度を基準とした向上率を示す。燃料電池スタック１３０は、隣り合う燃料電池セル１４０の両端で接続部材１６０，１７０により接続されている。接続部材１６０，１７０は、酸化剤電極層４６の両端から同じ規格化距離（例えば距離３程度）で第２集電部１６２，１７２が酸化剤電極層４６に接続されるように連結部１６３，１７３が同じ長さとされている。即ち、従来形態の接続位置は、燃料電池セル１４０の軸方向の中心Ｃに対して上下対称となっている。

また、図８では、上端側距離Ｌｂを距離３程度に固定し、下端側距離Ｌａを距離１５，４５，７５程度の３箇所に変化させた場合の電流密度を求めて基準に対する向上率を導出した点（図中黒丸）と、導出した向上率を近似した近似曲線（図中点線）とを示す。図示するように、下端からの規格化距離が距離４０〜５０程度で電流密度の向上率が約９％以上と高くなり、距離３０〜６０程度でも向上率が約８％を超えるなど良好な傾向となった。ここで、図７に示したように、下端から距離７０程度までは比較的ガス濃度が高く発電反応が促進されるため、多くの電流が生じる。このため、下部接続位置Ｊａが上下方向のいずれかに偏ると、第２集電部６２に電流が集電されるまでの移動ロスによる集電効率に及ぼす影響が大きくなるといえる。したがって、図８では、距離１５程度などの下端側の箇所や距離７５程度などの中央部を超えた箇所よりも、距離４５程度などの上下方向の偏りが小さく移動ロスが抑えられる箇所で電流密度の向上率が高くなったと考えられる。これらのことから、下端側距離Ｌａは、下端からの規格化距離が距離３０以上で距離６０以下の範囲が好ましく、距離４０以上で距離５０以下の範囲が更に好ましいといえる。

また、図９では、横軸に酸化剤電極層４６の下端からの規格化距離に加えて、酸化剤電極層４６の上端からの規格化距離を括弧内に示す。この図９では、図８の結果に基づいて下端側距離Ｌａを距離４５程度に固定した上で、上端側距離Ｌｂを距離５，１５，４５程度の３箇所に変化させた場合の電流密度を求めて基準に対する向上率を導出した点（図中黒丸）と、導出した向上率を近似した近似曲線（図中点線）とを示す。このため、図９の向上率には、下端側距離Ｌａを距離４５程度とすることによる電流密度の向上効果が含まれている。図示するように、上端からの規格化距離が距離１０〜２０程度で約９％以上の向上効果が減少することはなく、距離０〜３０程度で若干減少するものの向上効果を概ね維持し、距離３０程度を超えた辺りから向上効果が減少する傾向となった。ここで、図７に示したように、下端から距離７０程度を超えた以降はガス濃度が既に低下しているため、上部接続位置Ｊｂが上端側に偏っても電流の移動ロスが集電効率に及ぼす影響はそれほど大きくはない。また、温度が高い上端側は、燃料電池セル４０が活性化されて発電反応に有利な環境となるから、上端側距離Ｌｂを小さくして上部接続位置Ｊｂを上端側にする方が好ましいといえる。さらに、上端側距離Ｌｂを小さくして上部接続部材７０の接続部７３を短くした方が、上部接続部材７０を流れる電流の移動ロスを抑えるメリットが生じる。したがって、図９では、上端からの規格化距離が距離４５程度などの中央部側の箇所よりも距離５程度や距離１５程度などの上端側の箇所で電流密度の向上率が良好な結果となったと考えられる。これらのことから、上端側距離Ｌｂは、上端からの規格化距離が距離０以上で距離３０以下の範囲が好ましく、距離１０以上で距離２０以下の範囲が更に好ましいといえる。

図１０は、縦軸に規格化電流密度をとったものであり、シミュレーションにより得られた電流密度を従来形態の距離０における最大電流密度を用いて規格化したものを示す。図１０では、従来形態の電流密度を点線で示し、実施形態の電流密度を実線で示す。なお、実施形態は、上述した範囲内で下端側距離Ｌａが上端側距離Ｌｂよりも長くなるように下端側距離Ｌａと上端側距離Ｌｂを定めて、下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとを非対称としたものである。図示するように、従来形態では、規格化距離が距離０と距離１００で電流密度がピークを示すものの、それ以外は電流密度が大きく低下する傾向にある。一方、実施形態では、距離０，１００およびその近傍における電流密度は従来形態より小さくなるが、距離２０〜３０の間に電流密度のピークが生じており、距離１５程度から距離７０程度までの広い範囲で従来形態よりも電流密度が向上している。このため、距離０〜距離１００までの全長に亘って電流密度を積算した積算値は、実施形態の方が従来形態よりも約９％程度向上する結果が得られた。

以上説明した燃料電池スタック３０では、燃料ガスの供給側に配置される下部接続部材６０の下部接続位置Ｊａと、燃料ガスの排出側に配置される上部接続部材７０の上部接続位置Ｊｂとが、燃料電池セル４０の軸方向の中心に対して非対称である。これにより、燃料電池セル４０の下端側と上端側とにおける発電出力の傾向の違いなどに応じた適切な接続位置で各接続部材を酸化剤電極層４６に接続することができる。また、下部接続位置Ｊａが上部接続位置Ｊｂよりも燃料電池セル４０の軸方向の中心に近くなるように設けられる。これにより、ガス濃度による発電出力の違いや温度上昇による影響、接続位置による電流の移動ロスなどを考慮して、下部接続部材６０と上部接続部材７０のそれぞれに適した接続位置とすることができるから、集電効率を向上させることができる。また、燃料電池スタック３０は、下部接続部材６０の下部接続位置Ｊａと上部接続部材７０の上部接続位置Ｊｂとが非対称であることを、下部接続部材６０の連結部６３と上部接続部材７０の連結部７３とを異なる長さに構成すること、具体的には連結部６３を連結部７３よりも長くすることで実現するから、簡易な構成で実現することができる。

上述した実施形態では、連結部６３を連結部７３よりも長くすることで下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとを非対称とするものとしたが、これに限られず、連結部６３と連結部７３とを異なる長さに構成することで非対称とするものであればよい。あるいは、連結部６３と連結部７３とを異なる長さに構成するものに限られず、連結部６３と連結部７３とを同じ長さとして以下のように構成してもよい。例えば、電解質層４２の両端部よりも外方に突出する燃料電極層（内側電極層）４４の突出量を上下で異なる量とし下部接続部材６０の第１集電部６１と上部接続部材７０の第１集電部７１とを非対称の接続位置とすることで、下部接続部材６０の第２集電部６２と上部接続部材７０の第２集電部７２とを非対称の接続位置、即ち下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとを非対称としてもよい。また、下部接続部材６０の第１集電部６１（接触保持部６１ａ）と上部接続部材７０の第１集電部７１（接触保持部７１ａ）の上下方向（軸方向）の長さを異なるものとしたり、下部接続部材６０の第２集電部６２（接触保持部６２ａ）と上部接続部材７０の第２集電部７２（接触保持部７２ａ）の上下方向（軸方向）の長さを異なるものとしたりすることで、下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとを非対称としてもよい。あるいは、これらのいずれか一の構成の違いだけでなく、複数の構成の違いを組み合わせることで、下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとを非対称としてもよい。

上述した実施形態では、下部接続位置Ｊａが上部接続位置Ｊｂよりも燃料電池セル４０の軸方向の中心に近くなるようにしたが、これに限られず、下部接続位置Ｊａと上部接続位置Ｊｂとをそれぞれ最適化することで、燃料電池セル４０の軸方向の中心に対して非対称とするものであればよい。

実施形態では、燃料電池セル４０を円筒状に構成するものとしたが、これに限られず、楕円筒状や角筒状などの円筒状以外の筒状に構成するものとしてもよい。

本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。本実施形態では、酸化剤電極層４６が「外側電極層」に相当し、燃料電極層４４が「内側電極層」に相当し、電解質層４２が「電解質層」に相当し、燃料電池セル４０が「燃料電池セル」に相当し、第１集電部６１，７１が「第１集電部」に相当し、第２集電部６２，７２が「第２集電部」に相当し、連結部６３，７３が「連結部」に相当し、下部接続部材６０が「供給側接続部材」に相当し、上部接続部材７０が「排出側接続部材」に相当する。

なお、本実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、本実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、本実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、燃料電池スタックの製造産業などに利用可能である。

１０ 発電モジュール、１１ モジュールケース、１２ 原燃料ガス供給管、１４ 改質水供給管、１６ 空気供給管、１８ 燃焼排ガス排出管、２２ 気化器、２４ 改質器、２６ 燃料ガス供給管、２８ 燃焼部、３０，１３０ 燃料電池スタック、３４ 燃料ガスマニホールド、３６ 支持板、３６ａ 貫通孔、３７ ガラスシール部、３８ 酸化剤ガスマニホールド、３８ａ 供給口、４０，１４０ 燃料電池セル、４２ 電解質層、４４ 燃料電極層、４４ａ 燃料ガス流路、４６ 酸化剤電極層、４８ 導電性接合層、５０ キャップ、５２ 底部、５４ 外筒部、５６ 内筒部、６０ 下部接続部材、６１，７１，１７１ 第１集電部、６１ａ，６２ａ，７１ａ，７２ａ 接触保持部、６１ｂ，６２ｂ，７１ｂ，７２ｂ クランプ部、６１ｃ，６２ｃ，７１ｃ，７２ｃ ガイド部、６２，７２，１７２ 第２集電部、６３，７３，１７３ 連結部、７０ 上部接続部材、１６０，１７０ 接続部材。

Claims (4)

1. アノードである内側電極層と電解質層とカソードである外側電極層とがこの順で筒状に積層されて両端から前記内側電極層が突出するように構成され、一端から前記内側電極層内に燃料ガスが供給されると共に発電に利用されなかった余剰の燃料ガスを他端から排出する複数の燃料電池セルと、
   隣り合う２つの前記燃料電池セルのうち一方の燃料電池セルの軸端で突出する前記内側電極層に電気的に接続される第１集電部と、他方の燃料電池セルの前記外側電極層に電気的に接続される第２集電部と、前記第１集電部と前記第２集電部とを連結する連結部と、を有し、隣り合う前記燃料電池セルを電気的に接続する接続部材として、燃料ガスの供給側に配置される供給側接続部材および燃料ガスの排出側に配置される排出側接続部材と、
   を備える燃料電池スタックであって、
   前記供給側接続部材の前記第２集電部が前記外側電極層に接続される供給側接続位置と、前記排出側接続部材の前記第２集電部が前記外側電極層に接続される排出側接続位置とが、前記燃料電池セルの軸方向の中心に対して非対称である
   燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
   前記供給側接続位置および前記排出側接続位置は、前記供給側接続位置が前記排出側接続位置よりも前記燃料電池セルの軸方向の中心に近くなるように設けられる
   燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記連結部は、前記燃料電池セルの軸方向に延在し、
   前記供給側接続部材の前記連結部と前記排出側接続部材の前記連結部とを異なる長さに構成する
   燃料電池スタック。
4. 請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
   前記連結部は、前記燃料電池セルの軸方向に延在し、
   前記供給側接続部材の前記連結部は、前記排出側接続部材の前記連結部よりも長い
   燃料電池スタック。

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