JP5207729B2

JP5207729B2 - 燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置

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Publication number: JP5207729B2
Application number: JP2007331633A
Authority: JP
Inventors: 健児島津; 則光深水; 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-12-25
Also published as: JP2009158123A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを間に集電部材を介して立設し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、水素含有ガスと酸素含有ガス（空気等）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを集電部材を介して複数並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックを燃料電池セルにガスを供給するマニホールドに固定した燃料電池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）。

図９は、燃料電池セルスタック装置を構成する従来の集電部材の一例を示したものであり、（ａ）は隣接する一方の燃料電池セルの平坦面に当接する第１導電体片（接触部）８２と、隣接する一方の燃料電池セルの端部から隣接する他方の燃料電池セルの他方の端部へと傾斜して延びる第２導電体片８３と、他方の燃料電池セルの平坦面に当接する第３導電体片（接触部）８４と、他方の燃料電池セルの一方の端部から一方の燃料電池セルの他方の端部へと傾斜して延びる第４導電体片８５とを基本要素として具備する集電部材８１を示しており（例えば、特許文献２参照）、（ｂ）は、左右の平板（接続部）８７間に渡された複数のストライプ状の橋（接触部）８８を、交互に反対側（紙面に対して水平方向）に折り曲げてなる構成の集電部材８６を示している（例えば、特許文献３参照）。
特開２００７−５９３７７号公報特開２００７−２２７２０３号公報特開２００７−２９９５５６号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたような、燃料電池セルの上端部側で余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させるタイプの燃料電池セルスタック装置においては、各燃料電池セルの上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。

ここで、燃料電池セルの上下方向における温度分布が不均一となる場合には、燃料電池セルの発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明は、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率が向上した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、内部にガス流路を有する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セルスタック
と、前記燃料電池セルの下端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有し、前記ガス流路より排出される燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置であって、前記集電部材は、所定間隔を空けて設けられ隣り合う燃料電池セルと接触させるための板状をした一対の接触部と、該一対の接触部のうち一方の前記接触部の一端と他方の前記接触部の一端とを接続する接続部とを有する複数の導電片を前記燃料電池セルの長手方向に連続的に形成してなるとともに、前記燃料電池セルの長手方向と垂直な方向における前記集電部材の上端部の幅が下端部の幅よりも広く、前記上端部の接続部が前記燃料電池セルより突出し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、燃料電池セルの長手方向と垂直な方向における集電部材の上端部の幅が下端部の幅よりも広く、上端部の接続部が前記燃料電池セルより突出していることから、燃料電池セルの上端部における熱を放熱しやすくなる。それにより、燃料電池セルの上端部の温度を下げることができ、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができることから、発電効率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は、燃料電池セルの長手方向と垂直な方向における前記集電部材の幅が、上端より下端に向けて漸次小さ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、燃料電池セルの温度分布にあわせて集電部材の幅を上端より下端に向けて漸次小さくなっているように構成することで、燃料電池セルの上下方向における温度分布をより均一に近づけることができ、発電効率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は、前記接続部に放熱部材が設けら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、集電部材の接続部に放熱部材を設けることにより、燃料電池セルの温度をより放熱することができることから、燃料電池セルの上下方向における温度分布をより均一に近づけることができ、発電効率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、上述した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。

このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることで発電効率が向上した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から、発電効率が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、上述した燃料電池モジュールを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。

このような燃料電池装置においては、発電効率が向上した燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなることから、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は、燃料電池セルスタック装置を構成する構成部材である集電部材を、所定間隔を空けて設けられ隣り合う燃料電池セルと接触するための板状をした一対の接触部と、該一対の接触部のうち一方の接触部の一端と他方の接触部の一端とを接続する接続部とを有する複数の導電片を燃料電池セルの長手方向に連続的に形成するとともに、燃料電池セルの長手方向と垂直な方向における上端部の幅を下端部の幅よりも広くしたことから、上端部の接続部が前記燃料電池セルより突出するため、燃料電池セルの上端部側における熱を放熱しやすくなることで、燃料電池セルの上端部側の温度を下げることができる。それにより燃料電池セルの上下方向における温度分布を均一に近づけることができることから、発電効率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。またそのような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、さらに燃料電池モジュールを
外装ケース内に収納することで、発電効率の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の対応する部分を明確とするため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基板１２（以下、支持基板と略す場合がある）の一方の平坦面上に燃料側電極層８、固体電解質層９および空気側電極層１０を順次積層してなる柱状の燃料電池セル３の複数個を、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４ａを介装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にガラスシール材等の絶縁性接合材により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においては、下端がマニホールド７に固定され、燃料電池セル３の配列方向の両端部から端部集電部材４ｂを介して燃料電池セルスタック２を挟持するように配置された弾性変形可能なセルスタック支持部材５を具備している。なお、図１においては、セルスタック支持部材５のマニホールド７に固定される固定部が、燃料電池セル３の下端のマニホールド７に固定される固定部と同じ高さの場合を示している。

また、図１に示すセルスタック支持部材５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３の発電により生じる電流を引き出すための電流引き出し部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、支持基板１２の内部には、燃料電池セル３に反応ガスを流すためのガス流路１３が設けられている。なお、図１に示す燃料電池セルスタック装置１においては、ガス流路１３にマニホールド７より燃料ガス（水素含有ガス）を供給する場合の例を示している。

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る。集電部材４ａ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、支持基板１２を燃料側電極層８を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層９および空気側電極層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、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、燃料電池を小型化する上で固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池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。

また、このような燃料電池セルスタック装置１においては、マニホールド７よりガス流路１３に供給される燃料ガスのうち、使用されなかった燃料ガス（余剰の燃料ガス）と酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端部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る。それにより、燃料電池装置の起動を早めることができる。なお、図示していないが、酸素含有ガスは燃料ガスの流れにあわせて燃料電池セル３の下端側より上端側に流れるように供給することが好ましい。また詳細は後述するが、燃料電池セルスタック２の上方に、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を配置することにより、効率よく改質反応を行なうことができる。

以下に、図１に示す燃料電池セルスタック装置１（燃料電池セル３等）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（安定化ジルコニアおよび部分安定化ジルコニアを含む）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。

空気側電極層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、ＡＢＯ_３として表されるペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成することができる。空気側電極層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により形成することができるが、燃料ガスおよび酸素含有ガスと接触するため、耐還元性および耐酸化性を有することが必要であり、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は支持基板１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および支持基板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％以上の相対密度を有していることが好ましい。

支持基板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１２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、支持基板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（中空平板状）の支持基板１２は、立設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。そして燃料電池セル３の下端とセルスタック支持部材５の下端とが、燃料電池セル３に反応ガス（燃料ガス）を供給するマニホールド７に接合材で固定され、支持基板１２に設けられたガス流路１３は、マニホールド７の燃料ガス室（図示せず）に連通せしめられる。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基板１２を作製する場合においては、鉄属金属成分（例えば、ＮｉやＮｉＯ等）と特定希土類酸化物（支持基板１２の熱膨張係数を固体電解質９の熱膨張係数に近づけるために使用される希土類の酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３やＹｂ_２Ｏ_３等。）とから支持基板１２を形成することが好ましい。また、支持基板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の範囲にあることが好ましい。

上記のような構成にて形成される燃料電池セルスタック装置１において、燃料電池セル３の上端部で余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させる場合において、燃料電池セル３の上端部の温度が高温となり、燃料電池セル３の上下方向における温度分布が不均一なものとなるおそれがある。

さらに、本実施形態では、燃料電池セル３に供給する酸素含有ガスを、燃料電池セル３の下端部側に供給することが好ましく、この場合、燃料電池セル３の下端部側の温度が低くなる。それゆえ、燃料電池セル３の上下方向における温度分布がさらに不均一なものとなるおそれがある。

ここで、燃料電池セル２の上下方向における温度分布が不均一となった場合に、燃料電池セルの発電効率が低下するおそれがあった。

図２および図３は、本発明の燃料電池セルスタック装置１にて、隣り合う燃料電池セル３の間に配置される集電部材４ａの一例を示したものであり、図２は正面図であり、図３は一部を抜粋して示す斜視図である。

ここで、図２および図３に示した集電部材１５は、一対の接触部１６と、一方の接触部２６の一端と他方の接触部１６の一端とを接続する接続部１７とを有する複数の導電片を燃料電池セル３の長手方向に連続的に形成してなる。

より具体的には、隣接する一方の燃料電池セル３の平坦面に当接する一方の接触部１６と、隣接する一方の燃料電池セル３の端部から隣接する他方の燃料電池セル３の他方の端部へと傾斜して延びる導電体片１９と、他方の燃料電池セル３の平坦面に当接する他方の接触部１６と、他方の燃料電池セル３の一方の端部から一方の燃料電池セル３の他方の端部へと傾斜して延びる導電体片１９とを基本要素として具備する。すなわち、一方の接触部１６の一端と他方の接触部１６の一端とは、導電体片１９を介して接続部１７により接続されている。なお、この構成により一対の接触部１６は所定間隔を空けて設けられることとなる。そしてこの基本要素である導電体片を燃料電池セル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１５を形成している。

なお、接触部１６の幅は、燃料電池セル３の発電により生じる電流を効果的に集電すべく、空気側電極層１０もしくはインターコネクタ１１の幅と同じ長さとすることが好ましい。また集電部材１５の長さは、燃料電池セル３の長手方向における長さと同じ長さとすることが好ましい。

ここで、図２における集電部材１９においては、燃料電池セル３の長手方向と垂直な方向に沿って上端部の接続部１７の長さが下端部の接続部１７の長さよりも長い形状となっており、上端部の接続部１７が燃料電池セル３より突出した状態となるように形成してある（図１（ｂ）参照、以降この突出した領域を突出部という場合がある。）。

それにより、集電部材１５の上端部の接続部１７（突出部１８）がフィンの役割を果たすこととなり、燃料電池セル３の上端部の熱を放熱し、燃料電池セル３の上端部の温度を下げることができる。それにより、燃料電池セル３の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セルスタック装置１の発電効率を向上することができる。

なお、集電部材１５の幅は、燃料電池セル３の上下方向における温度分布に従って、適宜設定することができるが、燃料電池セル３の長手方向中央部（その近傍も含み、以降中央部という場合には同意である。）もまた温度が高温となりやすいため、上端部から中央部（燃料電池セル３の中央部に対応する部位）における幅を、下端部の幅よりも広くすることが好ましい。なお、下端部の接続部１７の幅は、燃料電池セル３の幅と同程度の幅とすることが好ましい。それにより、燃料電池セル３の上下方向における温度分布をより均一に近づけることができる。なお、この突出部１８の長さは、燃料電池セル３の温度分布に従って適宜設定することができる。

また、図１に示す端部集電部材４ｂについても、上述したのと同様な形状とすることができ、集電部材４ａと同じものを用いることもできる。

なお、集電部材４ａとしては、弾性を有するとともに、耐熱性の合金等により形成されることが好ましく、例えば、Ｃｒを１０〜３０重量％含む合金や、Ｆｅ−Ｎｉ系の合金等を用いることができる。さらに、Ｃｒを含有する集電部材においては、Ｃｒの拡散を防止するためのＣｒ拡散防止膜を設けておくことが好ましい。

図４は、本発明の燃料電池セルスタック装置１にて、隣り合う燃料電池セル３の間に配置される集電部材４ａの他の一例を示したものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図を示している。

ここで、図４に示した集電部材２０は、所定間隔を空けて設けられ隣り合う燃料電池セル３と接触するための板状をした一対の接触部２１と、一対の接触部２１のうち一方の接触部２１の一端と他方の接触部２１の一端とを接続する接続部２２とを有する複数の導電片を燃料電池セル３の長手方向に連続的に形成されている。それにより、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２０を形成している。なお、接触部２１の幅は、燃料電池セル３の発電により生じる電流を効果的に集電すべく、空気側電極層１０もしくはインターコネクタ１１の幅と同じ長さとすることが好ましい。また、集電部材２０の長さは、燃料電池セル３の長手方向における長さと同じとすることが好ましい。

ここで、図４における集電部材２０においては、長手方向中央より、長手方向と垂直な方向における上端部の幅が下端部の幅よりも広く形成されており、図４においては接続部２２の一部を燃料電池セル３の側面より突出した状態となるように形成してある。

それにより、この突出部２３がフィンの役割を果たすこととなり、燃料電池セル３の上端部の熱を放熱し、燃料電池セル３の上端部の温度を下げることができる。それにより、燃料電池セル３の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、燃料電池セルスタック装置１の発電効率を向上することができる。

なお、集電部材２０の幅は、燃料電池セル３の上下方向における温度分布に従って、適宜設定することができるが、燃料電池セル３の中央部もまた温度が高温となりやすいため、上端部から中央部（燃料電池セル３の中央部に対応する部位）における幅を、下端部の幅よりも広くすることが好ましい。なお、下端部の接続部２２の幅は、燃料電池セル３の幅と同程度の幅とすることが好ましい。

それにより、燃料電池セル３の温度分布を、より均一に近づけることができる。なお、この突出部１８の長さは、燃料電池セル３の温度分布に従って適宜設定することができる。

図５は図２で示した集電部材１５の他の一例を示したものであり、図６は図４で示した集電部材２０の他の一例を示したものである。なお、図５で示す集電部材２４および図６で示す集電部材２８は、それぞれ集電部材２４および集電部材２８の幅が、上端より下端に向けて漸次小さくなっている形状を示している。すなわち、燃料電池セル３の長手方向の上端より下端に向けて漸次小さくなっている形状である。なお、接触部２５および接触部２９の幅は燃料電池セル３の発電により生じる電流を効果的に集電すべく、空気側電極層１０もしくはインターコネクタ１１の幅と同じ長さとすることが好ましい。また、集電部材２４および集電部材２８の長さは、燃料電池セル３の長手方向における長さと同じ長さとすることが好ましい。

ここで、燃料電池セル３の温度分布は、燃料電池セル３の上端側から下端側に向けて温度が低くなるため、集電部材の幅は、その温度勾配にあわせて適宜変更することが好ましい。

それゆえ、図５で示す集電部材２４および図６で示す集電部材２８においては、上端から下端に向けて漸次集電部材の幅を小さくすることにより、燃料電池セル３より放熱される熱も勾配を持って放熱されることとなる。それにより、燃料電池セル３の上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。

なお、上述したような集電部材のほか、例えば所定間隔を空けて設けた接触部の一端部のみを接続部にて接続する形状を基本要素として連続的に形成してなる櫛歯状の集電部材等においても、上述したような構造を採用することにより、燃料電池セル３の上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。

また燃料電池セル３の上端部の温度と下端部との温度差が大きい場合には、さらに燃料電池セル３の上端部の温度を下げるべく、接続部に放熱部材を設けることもできる。図７はそのような放熱部材を設けた集電部材の一例を示している。

図７においては、接続部１７（突出部１８）に放熱部材の一例であるフィン３２を設けた状態の側面図を示している。それにより、接続部１８の比表面積を増加することができ、接続部１８における放熱効果をさらに向上することができる。それにより、燃料電池セル３の上下方向における温度分布を均一に近づけることができる。

なお、フィン３２の形状については特に限定するものではなく、図７に示したように、接続部１８より突出して折れ曲がる形状のフィン３２でもよく、このようなフィン３２は接続部１７（突出部１８）の一部を切り欠いて折り曲げて形成したものや、突出部１８の表面に特定の部材を接続することにより形成しても構わない（例えば、片面ディンプル型や両面ディンプル型など）。またこれ以外に、例えば、突出部１８の一部を切り欠くことや、突出部１８に貫通孔を設けることにより比表面積を増加させて放熱性を高めてもかまわない。ただし、このフィン３２は、隣接する集電部材のフィン３２や燃料電池セル３と接触しないように形成することが好ましい。

そして上述したような燃料電池セルスタック装置１を収納容器内に収納することで、本発明の燃料電池モジュールとすることができ、図８は本発明の燃料電池モジュールの一例を示した外観斜視図である。

図８においては、燃料電池モジュール３３は、直方体状の収納容器３４の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル３５を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３５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３７を構成するとともに、燃料電池セル３５の下端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３６に固定してなる燃料電池セルスタック装置４０を収納して構成されている。

また、燃料電池セル３５にて使用する水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質器３８を燃料電池セルスタック３７の上方に配置している。そして、改質器３８で生成された燃料ガスは、ガス流通管３９によりマニホールド３６に供給され、マニホールド３６を介して燃料電池セル３５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３４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４０および改質器３８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３３においては、燃料電池セルスタック装置４０を、収納容器３４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４０は、改質器３８を含むものとしてもよい。

また収納容器３４の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材４１は、図８においてはマニホールド３６に並置された燃料電池セルスタック３７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あわせて、燃料電池セル３５の下端側より上端側に向けて流れるように、燃料電池セル３５の下端側に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル３５より排出される余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３５の上端部で燃焼させることにより、燃料電池セル３５の温度を上昇させることができ、燃料電池装置の起動を早めることができる。また、燃料電池セル３５の上端部にて、余剰の酸素含有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３５（燃料電池セルスタック３７）の上部に配置された改質器３８を温めることができる。それにより、改質器３８で効率よく改質反応を行なうことができる。ただし、この場合においては上述したように燃料電池セル３の上下方向における温度分布が不均一となる場合があるため、本発明の燃料電池セルスタック装置の構成を採用することにより発電効率を向上させることができる。

なお、図８においては図示していないが、燃料電池セル３５を上述した集電部材を介して電気的に接続することにより、燃料電池セル３５の上下方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率の向上した燃料電池モジュール３３とすることができる。

また、この燃料電池モジュール３３および燃料電池セル３５を動作させるために必要な補機（制御装置や改質器３８で水蒸気改質を行うにあたって必要な装置類等）を収納することにより、本発明の燃料電池装置が構成される。それゆえ、本発明の燃料電池セルスタック装置４０を収納してなる燃料電池モジュール３３を外装ケース内に収納することから、発電効率が向上した燃料電池装置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、本発明の燃料電池セルスタック装置１において、集電部材の幅を、燃料電池セルの配列方向における温度分布にあわせて適宜変更する（例えば、燃料電池セルの配列方向における中央部に配置される集電部材の特定の高さにおける幅を、燃料電池セルの配列方向における端部側に配置される集電部材の特定の高さにおける幅よりも広くする）ことにより、燃料電池セルスタックにおける燃料電池セルの配列方向の温度分布を均一に近づけることもできる。

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拡大平面図である。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す正面図である。図２で示した集電部材の一部を抜粋して示す斜視図である。本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材の他の一例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の集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集電部材のさらに他の一例を示す正面図である。本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材のさらに他の一例を示す正面図である。集電部材を構成する接続部に放熱部材を設けた例を示す側面図である。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。従来の集電部材の一例を示す正面図である。

符号の説明

１：燃料電池セルスタック装置
２：燃料電池セルスタック
３：燃料電池セル
４ａ、１５、２０、２４、２８：集電部材
４ｂ：端部集電部材
５：燃料電池セルスタック支持部材
６：電流引き出し部
７：マニホールド
１６、２１、２５、２９：接触部
１７、２２、２６、３０：接続部
１８、２３、２７、３１：突出部
３３：燃料電池モジュール

Claims

内部にガス流路を有する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セルスタックと、前記燃料電池セルの下端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有し、前記ガス流路より排出される燃料ガスを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させるように構成してなる燃料電池セルスタック装置であって、前記集電部材は、所定間隔を空けて設けられ隣り合う燃料電池セルと接触させるための板状をした一対の接触部と、該一対の接触部のうち一方の前記接触部の一端と他方の前記接触部の一端とを接続する接続部とを有する複数の導電片を前記燃料電池セルの長手方向に連続的に形成してなるとともに、前記燃料電池セルの長手方向と垂直な方向における前記集電部材の上端部の幅が下端部の幅よりも広く、前記上端部の接続部が前記燃料電池セルより突出していることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
前記燃料電池セルの長手方向と垂直な方向における前記集電部材の幅が、上端より下端に向けて漸次小さくなっ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。
前記接続部に放熱部材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
請求項１ないし３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。
請求項４に記載の燃料電池モジュールを、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。