JP5241430B2 - 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

Description

本発明は、複数個の柱状の燃料電池セルを一列に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を含む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燃料電池セルの複数個を立設して配列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装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池装置においては、複数個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するとともに、その配列方向の両端部に端部集電部材を介して導電部材を配置し、この状態で燃料電池セルに燃料ガス等を供給するためのマニホールドに燃料電池セルの下端と、導電部材の下端とが固定され、燃料電池セルスタック装置が構成されている。それにより燃料電池セルが電気的に直列に接続される。

図１０は、従来の燃料電池セルスタック装置７１を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置７１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７１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７１は、複数個のガス流路８３を有する柱状の燃料電池セル７３を集電部材７４ａ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７３の配列方向の両端部に端部集電部材７４ｂを介して導電部材７５を配置し、この状態で燃料電池セル７３および導電部材７５の下端が反応ガス（燃料ガス等）を供給するためのマニホールド７７に固定されている。

図１１は、図１０で示した従来の燃料電池セルスタック装置７１を構成する導電部材７５を抜粋して示す斜視図である。導電部材７５は、平板部８５とその両側縁から屈曲した一対の側板部８６とを具備して形成されている。なお、符号７６は電流引出し部である。
特開２００３−３０８８５７号公報

ところで、上述したような燃料電池セルスタック装置７１において、各燃料電池セル７３が変形（反り）することがある。そして、そのような変形（反り）が生じることにより燃料電池セル７３に応力が生じることとなるが、複数個の柱状の燃料電池セル７３を立設させた状態で配列してなる燃料電池セルスタック７２においては、燃料電池セル７３の変形（反り）方向における端部の燃料電池セル７３に特に強い応力が生じ、燃料電池セル７３が破損するおそれがある。

ここで、導電部材として図１１で示したような導電部材７５を用いる場合においては、導電部材７５の剛性が大きく変形し難いことから、燃料電池セル７３の配列方向における端部に位置する燃料電池セル７３が破損するおそれがある。

また、燃料電池セル７３の変形（反り）に伴い端部集電部材７４ｂが、導電部材７５から剥離する場合があり、燃料電池装置７１の出力が低下するおそれがあった。

さらに、燃料電池セルスタック装置７１の発電効率を向上させるとともに、燃料電池セル７３の変形に伴う燃料電池セル７３の破損や端部集電部材７４ｂの剥離を抑制する場合において、集電部材７４ａと端部集電部材７４ｂを異なる形状のものを用いる必要が生じる場合があり、燃料電池セルスタック装置７１の製造工程が煩雑となるおそれがあった。

それゆえ、本発明の目的は、燃料電池セルスタックの両端に燃料電池セルの変形（反り）に柔軟に追従して変形することができる弾性変形可能な導電部材を配置することにより、燃料電池セルの破損を抑制することが可能な導電部材を具備する信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置を提供するとともに、燃料電池セルスタックを収納してなる燃料電池モジュールおよび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、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燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルに接合された端部集電部材を介して前記燃料電池セルスタックを狭持するように配置された一対の導電部材と、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であって、前記導電部材は、前記端部集電部材に接合された平板部を有し、前記平板部は、下端部が前記マニホールドに固定されているとともに、固定されていない部位の少なくとも一部に前記平板部を前記端部集電部材とともに前記燃料電池セルの変形に追従して屈曲させるための屈曲部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、燃料電池セルスタックの両端に配置される導電部材の平板部のマニホールドに固定されていない部位の少なくとも一部に、燃料電池セルに追従して屈曲させるための屈曲部を有することから、平板部のマニホールドに固定されていない部位は、燃料電池セルの変形（反り）に対して、柔軟に追従して変形することができる。

それにより、燃料電池セルスタックの端部側に位置する燃料電池セルに生じる応力を緩和することができることから、燃料電池セルの破損を抑制することができるとともに、端部集電部材の剥離を抑制することができ、その信頼性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、発電性能の低下を抑制することができる。

また、導電部材が燃料電池セルの変形（反り）に対して、柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セル間に配置される集電部材と、燃料電池セルスタックの両端に配置される端部集電部材として、同じ形状の集電部材（集電効率のよい集電部材）を用いることができ、燃料電池セルスタック装置の製造工程を容易にすることができるとともに、発電効率を向上することができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、前記屈曲部が前記平板部の上下方向に複数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、導電部材（平板部）がさらに屈曲しやすくなり、燃料電池セルの変形（反り）に対してより柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セルの破損を防止することができ、信頼性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において、前記屈曲部間の距離が前記平板部の上方に向かうにつれて短くなっていることが好ましい。

ここで、燃料電池セルの下端部がマニホールドに固定されていることにより、燃料電池セルの上端部側の変形（反り）が下端部に比べ大きくなる場合がある。ここで、屈曲部間の距離が平板部の上方に向かうにつれて短くなっていることにより、燃料電池セルの変形（反り）が大きい上端部において、導電部材がより柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セルの破損を抑制することができ、信頼性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において、前記屈曲部は、前記平板部の少なくとも一方の表面に当該平板部の幅方向に沿って設けられた凹部によって形成された薄肉部であることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、前記屈曲部が、前記平板部の少なくとも一方の表面に当該平板部の幅方向に沿って設けられた凹部によって形成された薄肉部であることから、平板部に屈曲部を容易に設けることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、前記凹部は、前記平板部の上下方向における幅または深さのうち少なくとも一方が前記平板部の上方に向かうにつれて大き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、燃料電池セルの変形（反り）による燃料電池セルの変形が大きい上端部側においても、導電部材が柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セルの破損を抑制することができ、信頼性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において、前記柱状の燃料電池セルは、一対の平坦面を有する導電性支持体と、該導電性支持体の一方側の平坦面上に順次積層された、内側電極層、固体電解質層および外側電極層と、前記導電性支持体の他方側の平坦面上に積層されたインターコネクタとを有し、一方の前記導電部材は、前記端部集電部材を介して一方端側に配置された前記柱状の燃料電池セルのインターコネクタと向かい合う前記平板部の表面に前記凹部を有するとともに、他方の前記導電部材は、前記端部集電部材を介して他方端側に配置された前記柱状の燃料電池セルの外側電極層と向かい合う前記平板部の表面と反対側の表面に前記凹部を有することが好ましい。

燃料電池セルを構成する各部材を、一般的に用いられる材料により構成した場合において、インターコネクタ側が外側電極層側に向けて屈曲する（反る）変形を生じる場合がある。ここで、一方の導電部材の平板部のうち、端部集電部材を介してインターコネクタと向かい合う面に屈曲部を設け、他方の導電部材の平板部のうち、端部集電部材を介して外側電極層と向かい合う面と反対側の面に屈曲部を設けた構成とすることにより、導電部材（平板部）が、外側電極層側に向けて屈曲しやすくなる。それにより、導電部材が燃料電池セルの変形（反り）により柔軟に追従して変形することができることから、燃料電池セルの破損を防止することができるとともに、端部集電部材が平板部から剥離することを抑制することができ、信頼性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、上記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。

このような燃料電池モジュールにおいては、上記のうちいずれか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から、信頼性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を外装ケース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、上記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から、信頼性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、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、電気的に接続して構成される燃料電池セルスタックを、端部集電部材を介して弾性変形可能な導電部材により挟持するとともに、燃料電池セルの下端部と、導電部材の平板部の下端部とが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に固定され、かつ導電部材における平板部のマニホールドに固定されていない部位の少なくとも一部に燃料電池セルに追従して屈曲する屈曲部を有することから、導電部材が端部集電部材とともに燃料電池セルの反り等の変形に対して導電部材が柔軟に追従して変形することができ、燃料電池セルの破損を抑制することができるとともに、端部集電部材の剥離を抑制することができ、信頼性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、信頼性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を外装ケース内に収納することで、信頼性が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の複数個を立設するとともに、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４ａ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に固定して形成されている。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（以下、セル配列方向と略す場合がある。）の両端から端部集電部材４ｂを介して燃料電池セルスタック２を挟持するように、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。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。

さらに、図１に示す導電部材５においては、セル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、燃料電池セル３に燃料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４ａ（端部集電部材４ｂ）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）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の下端と後述する導電部材５の下端とが、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、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、鉄属金属成分と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ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ等が存在するＬａＣｒＯ_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。

そして、燃料電池セル３は集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂを介して電気的に直列に接続される。なお、集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂ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２は、本発明の燃料電池セルスタック装置１において、燃料電池セル３間を電気的に接続するための集電部材４ａの一例を示したものである。図２に示した集電部材４ａは、隣接する一方の燃料電池セル３の酸素側電極層１０に当接する一方の接触部１６と、隣接する他方の燃料電池セル３のＰ型半導体層１４（Ｐ型半導体層１４がない場合にはインターコネクタ１１）に当接する他方の接触部１６と、これら一対の接触部１６の両端同士をそれぞれ接合する接続部１７とを基本構成の導電片として具備する。より詳細には左右に配置される接続部１７間に渡された複数の帯状をした接触部１６を、図２（ｂ）に示すように、接続部１７に対して交互に（紙面に対して上下方向）に折り曲げて導電片を構成し、この導電片の複数個を、導電性連結片１９を介して燃料電池セル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４ａを形成している。

このような集電部材４ａは、集電効率のよい集電部材（すなわち、燃料電池セル３との接触面積が多い集電部材）であるため、本発明の燃料電池セルスタック装置１において有用となる。

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（反る）変形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を利用して大気雰囲気にて焼成した場合に、予め還元処理を施す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との還元状態の違いにより、これらの変化量に差が生じ、燃料電池セル３に反りを生じる場合がある。

ここで、燃料電池セル３に反りが生じる場合において、燃料電池セル３を配列方向の両端から挟持するように配置された導電部材５の剛性が大きい場合には、導電部材５が燃料電池セル３の反りに柔軟に追従して変形することができず、燃料電池セル３の下端部（マニホールド７側）において特に強い応力が生じる場合がある。この場合に、燃料電池セル３の下端部（マニホールド７側）で割れ等の破損を生じるおそれがある。また、端部集電部材４ｂが導電部材５から剥離するおそれもある。

また、燃料電池セルスタック装置において集電効率のよい集電部材を用いる場合において、集電効率のよい集電部材（すなわち、燃料電池セル３との接触面積が多い集電部材）はその剛性が高いため、端部集電部材４ｂが導電部材５から剥離しやすくなる。それゆえ、端部集電部材４ｂを剛性の低い集電部材を用いることにより、端部集電部材４ｂが導電部材５から剥離することを抑制することも考えられるが、この場合においては、集電部材４ａと端部集電部材４ｂとが異なる形状の集電部材となることから、燃料電池セルスタック装置１の製造工程が煩雑となる。

図３は、本発明の燃料電池セルスタック装置１を構成する一対の導電部材５のうち一方の導電部材の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材２１の斜視図、（ｂ）は導電部材２１の正面図である。

導電部材２１は、燃料電池セル３の発電により生じる電流を集電するために導電性であることが必要であり、例えば、ステンレス等にて形成することができる。なお、必要に応じて耐熱性の皮膜を形成したものを利用することもできる。

導電部材２１は、端部集電部材４ｂと接合される平板部２２と燃料電池セルスタック２の発電により生じる電流を引出すための平板部２２より外側へ延びる電流引出し部２３とからなる。ここで、電流引出し部２３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、平板部２２の下端部に設けることが好ましく、電流引出し部２３がマニホールド７に接触しないよう、電流引出し部２３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２３を、平板部２２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、平板部２２の下端部をマニホールド７に固定するにあたり、平板部２２の電流引出し部２３の接続部よりも下方側の部位において、平板部２２の両側縁から屈曲した一対の側板部を設けることもできる。

また、導電部材２１における上下方向の長さとしては、燃料電池セル３に生じる応力を効果的に緩和するとともに、燃料電池セル３の発電により生じた電流を効率よく集電するために、マニホールド７に固定された状態で、燃料電池セル３の上端と同じ高さまたはそれ以上の高さとなるようにするのが好ましい。また、導電部材２１の幅としては、燃料電池セル３の幅（より詳細には、酸素側電極層１０またはインターコネクタ１１の幅の短い方と同じ幅）、もしくはそれ以上の幅とするのが好ましい。

ここで、図３に示した導電部材２１は、平板部２２のうち端部集電部材４ｂと接する面で、マニホールド７に固定されていない部位に、平板部２２の幅方向に沿って溝を形成することにより、複数の凹部を設けている。それにより、平板部２２の一部が薄肉状となり、この薄肉状の部位を基点として平板部２２が屈曲しやすくなる。そのため、この平板部２２に凹部（溝）２４を形成することに伴って形成される薄肉部が本発明における屈曲部に相当し、以下屈曲部というものとする。なお、図３に示した導電部材２１は、平板部２２が、端部集電部材４ｂを介して燃料電池セル３のインターコネクタ１１と向かい合う、一方に配置される導電部材２１を示している。以降の図において、導電部材を抜粋して示す場合においても同様である。なお、図１においては、図に対して右側端に配置された導電部材５に相当し、図に対して左側に配置された導電部材５は、平板部２２のうち端部集電部材４ｂと接する面と反対側の面に屈曲部２５を有している。それにより、一方の導電部材５と他方の導電部材５とが同じ方向に変形することができる。

また、導電部材２１の平板部２２に屈曲部２５を設けることにより、平板部２２における剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従することが可能となり、燃料電池セル３に生じる応力を緩和することができるため、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。それにより、信頼性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。

また、平板部２２に平板部２２の幅方向に沿って複数の凹部２４が設けられていることにより、導電部材２１の平板部２２が燃料電池セル３の反りに対し追従して変形するため、端部集電部材４ｂと平板部２２との剥離を抑制することができるため、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１をすることができる。なお、図３に示した導電部材２１は、燃料電池セル３の反り方向（以下、セル反り方向と略す場合がある。）に対して逆側に位置する。

また、導電部材２１が燃料電池セル３の反りに対して柔軟に追従して変形することができることから、集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂとして、剛性の高い集電部材（集電効率のよい集電部材）を用いることができ、燃料電池セルスタック装置１の製造工程を容易にするとともに、発電効率を向上することができる。なお、剛性の高い集電部材として、図１および図２に示した集電部材を例示することができ、剛性の低い集電部材として図１０に示した集電部材を例示することができるが、集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂはこれらの形状に限定されるものではない。

さらに、平板部２２の上下方向に凹部２４が複数設けられていることから、平板部２２の剛性をより減少させることができるため、燃料電池セル３の反りにより柔軟に追従することが可能となり、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。

また、平板部２２においてセル幅方向に凹部２４を設けることで屈曲部２５を形成することができることから、容易に屈曲部２５を設けることができる。

図４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他の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材２６の斜視図、（ｂ）は導電部材２６の正面図である。

ここで、図４に示した導電部材２６は、平板部２７の両面において平板部２７の下端から同じ高さにセル幅方向に沿った複数の凹部２９を設けることにより、屈曲部３０を形成している。ここで、平板部２７の両面においてセル幅方向に沿った複数の凹部２９を設ける場合、平板部２７の下端から同じ高さに設けることが好ましく、図４においてはそのような例の導電部材２６を示している。

それにより、平板部２７の剛性をより減少することができるため、燃料電池セル３の反りにより柔軟に追従することが可能となり、燃料電池セル３の破損を抑制することができるとともに、端部集電部材４ｂが平板部２７から剥離することを抑制できる。それにより、信頼性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。

また、平板部２７の両面において、平板部２７の下端から同じ高さに複数の凹部２９が設けられていることから、燃料電池セルスタック装置１の作製時において、導電部材２６を燃料電池セルスタック２の両端部に容易に配置することができ、燃料電池セルスタック装置１を容易に作製することができる。

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他の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材３１の斜視図、（ｂ）は導電部材３１の正面図である。

本発明のセルスタック装置１において、燃料電池セル３の下端をマニホールドに固定されていることから、燃料電池セル３の上端部において変形（反り）が大きくなる場合があり、端部集電部材４ｂの上端部側が導電部材から剥離するおそれがある。

ここで、図５に示した導電部材３１は、平板部３２の上下方向に設けられた複数の凹部３４のそれぞれの幅を平板部３２の上方に向けて大きくなるように設けることにより、屈曲部３５を形成している。

それにより、平板部３２の上方（上端部側）の剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従でき、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。また、平板部３２に形成された凹部３４の幅が、平板部３２の上方に向けて大きくなるように設けられていることから、端部集電部材４ｂの上端部側が剥離することを抑制でき、信頼性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。

なお、図５においては、平板部３２に設けたそれぞれの凹部３４の幅を平板部３２の上方に向けて大きくする例を示したが、平板部３２に設けた凹部３４の深さを、平板部３２の上方に向けて深くするようにしてもよい。その場合にも、平板部３２の上方の剛性を小さくすることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従することができる。

図６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他の一例を示したものであり、（ａ）は導電部材３６の斜視図、（ｂ）は導電部材３６の正面図である。

ここで、図６に示した導電部材３１においては、平板部３７の上下方向に複数の屈曲部４０（凹部３９）が設けられているとともに、それぞれの屈曲部４０間の長さが平板部３７の上方に向けて短くなるように設けられている。

それにより、平板部３７の上方（上端部側）の剛性を下げることができ、燃料電池セル３の反りに柔軟に追従でき、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。また、平板部３２に形成されたそれぞれの屈曲部４０間の長さが平板部３２の上方に向けて短くなるように設けられていることから、端部集電部材４ｂの上端部側が剥離することを抑制でき、信頼性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。

なお、それぞれの屈曲部４０間の長さとは、例えば図６に示したように屈曲部４０を凹部３９により形成する場合においては、平板部３７の上下方向において隣接する凹部の上端部間の長さとすることができ、適宜設定することができる。

なお、図６では平板部３７に設けたそれぞれの屈曲部４０（凹部３９）の大きさは変えずに、それぞれの屈曲部４０間の長さが平板部３７の上方に向けて短くなる例を示したが、例えば、隣接する凹部３９のうち上方に位置する凹部３９の下端部と下方に位置する凹部３９の上端部間の長さを一定とし、それぞれの凹部３９の上下方向における幅を、平板部３７の上下方向に向けて大きくすることもできる。この場合においても、上述した導電部材３６と同様に、燃料電池セル３の破損を抑制できるとともに、端部集電部材４ｂの上端部側が剥離することを抑制でき、信頼性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。

図７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他の一例を示したものであり、導電部材４１の斜視図である。

特に固体酸化物形燃料電池セル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３の温度を高温に維持することにより、高い発電効率とすることができる。それゆえ、燃料電池セル３の発電により生じる輻射熱が外部に伝熱することを抑制すべく（燃料電池セルスタック２の温度が低下することを抑制すべく）、燃料電池セルスタック装置１の周囲に断熱材を配置することが好ましい。

しかしながら、上述したような導電部材を配置してなる燃料電池セルスタック装置１において、弾性変形可能な導電部材が変形する長さを想定して断熱材を配置する必要が生じ、断熱材の位置合わせが難しくなり燃料電池セルスタック装置１を収納してなる燃料電池装置の組立工程が煩雑になるおそれがある。

ここで、図７に示した導電部材４１は、複数の屈曲部４３を備える平板部４２と、燃料電池セルスタック装置１の周囲に配置される断熱材を支持するための断熱材支持部材４４とを具備している。なお、断熱材支持部材４４は、平板部４５と、平板部４５の両方の縁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板部４６とを具備しており、側板部４６は平面視で平板部４２よりも外側に位置するように配置されている。

なお、断熱材支持部材４４は、平板部４５の両方の縁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板部４６を具備していることから、断熱材支持部材４４（平板部４５）の剛性を高めることができる。

それにより、燃料電池セルスタック装置１の周囲（セル配列方向における端部）に断熱材を配置する場合に、断熱材の位置あわせを容易に行うことができるとともに、断熱材を強固に固定することができる。それゆえ、燃料電池セルスタック装置１を収納してなる燃料電池装置を容易に組み立てることができる。

また、断熱材支持部材４４（平板部４５）の剛性を高めることができるから、断熱材支持部材４４に近接（当接）して断熱材を配置した場合でも、断熱材支持部材４４（平板部４５）が、平板部４２側に傾いて接触することを抑制（防止）することができ、それにより燃料電池セル３に生じる応力の緩和を阻害することなく、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。

なお、図７に示した導電部材４１においては、平板部４２の電流引出し部４６の接続部よりも下方側の部位のほか、側板部４６の電流引出し部６よりも下方側の部位と、断熱材支持部材４４の平板部４５の電流引出し部６よりも下方側の部位をマニホールド７に固定することにより、導電部材４１を安定してマニホールド７に固定することができるが、導電部材４１とマニホールド７（接合材）との接合面積を増やす目的で、平板部４２両縁側に、電流引出し部６よりも低い位置に設けられ、断熱材支持部材４４の側板部４６と接続される一対の側板部４７を設けることもでき、図７に示した導電部材４１においては、側板部４７を設けた例を示している。それにより、導電部材４１とマニホールド７（接合材）との接合面積を増やすことができ、導電部材４１を安定してマニホールド７に固定することができる。

図８において、燃料電池モジュール５０は、直方体状の収納容器５１の内部に、燃料ガスが流通するガス流路１３を有する燃料電池セル５２を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル５２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セルスタック５４を構成するとともに、燃料電池セル５２の下端部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５３に固定してなる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５２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５５をセルスタック５４の上方に配置している。そして、改質器５５で生成された燃料ガスは、ガス流通管５６を介してマニホールド５３に供給され、マニホールド５３を介して燃料電池セル５２の内部に設けられたガス流路１３に供給される。

なお、図８においては、収納容器５１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５７および改質器５５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５０においては、セルスタック装置５７を、収納容器５１内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置５７は、改質器５５を含むものとしても良い。

また収納容器５１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材５８は、図８においてはマニホールド５３に並置されたセルスタック５４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５２の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル５２の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル５２のガス流路１３より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル５２の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル５２の温度を上昇させることができ、セルスタック装置５７の起動を早めることができる。また、燃料電池セル５２の長手方向における上端部側にて、燃料電池セル５２のガス流路１３から排出される燃料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５２（セルスタック５４）の長手方向における上方に配置された改質器５５を温めることができる。それにより、改質器５５で効率よく改質反応を行うことができる。

図９は、本発明の燃料電池装置６０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６０は、支柱６６と外装板６７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５０を収納するモジュール収納室６４とし、下方側を燃料電池モジュール５０を動作させるための補機類を収納する補機収納室６３として構成されている。なお、補機収納室６３に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板６８には、補機収納室６３の空気をモジュール収納室６４側に流すための空気流通口６１が設けられており、モジュール収納室６４を構成する外装板６７の一部に、モジュール収納室６４内の空気を排気するための排気口６２が設けられている。

このような燃料電池装置６０においては、上述したように、発電効率を向上することができる燃料電池モジュール５０をモジュール収納室６４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、本発明の用紙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。

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た平面図である。 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し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 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の他の一例を示し、（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さらに他の一例を示し、（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さらに他の一例を示し、（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さらに他の一例を示し、（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さらに他の一例を示す斜視図である。 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。 従来の導電部材の一例を示す正面図である。

符号の説明

１，７１：燃料電池セルスタック装置
２，７２：セルスタック
３、７３：燃料電池セル
４ａ：集電部材
４ｂ：端部集電部材
５，２１，２６，３１，３６，４１，７５：導電部材
６，２３，２８，３３，３８，４８，７６：電流引出し部
２２，２７，３２，３７，４２，８５：平板部
２５，３０，３５，４０：屈曲部
５０：燃料電池モジュール
６０：燃料電池装置

Claims (8)

1. 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燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルに接合された端部集電部材を介して前記燃料電池セルスタックを狭持するように配置された一対の導電部材と、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であって、前記導電部材は、前記端部集電部材に接合された平板部を有し、前記平板部は、下端部が前記マニホールドに固定されているとともに、固定されていない部位の少なくとも一部に前記平板部を前記端部集電部材とともに前記燃料電池セルの変形に追従して屈曲させるための屈曲部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. 前記屈曲部が前記平板部の上下方向に複数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. 前記屈曲部間の距離が前記平板部の上方に向かうにつれて短くなっていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
4. 前記屈曲部は、前記平板部の少なくとも一方の表面に当該平板部の幅方向に沿って設けられた凹部によって形成された薄肉部であ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. 前記凹部は、前記平板部の上下方向における幅または深さのうち少なくとも一方が前記平板部の上方に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セルスタック装置。
6. 前記柱状の燃料電池セルは、一対の平坦面を有する導電性支持体と、該導電性支持体の一方側の平坦面上に順次積層された、内側電極層、固体電解質層および外側電極層と、前記導電性支持体の他方側の平坦面上に積層されたインターコネクタとを有し、一方の前記導電部材は、前記端部集電部材を介して一方端側に配置された前記柱状の燃料電池セルのインターコネクタと向かい合う前記平板部の表面に前記凹部を有するとともに、他方の前記導電部材は、前記端部集電部材を介して他方端側に配置された前記柱状の燃料電池セルの外側電極層と向かい合う前記平板部の表面と反対側の表面に前記凹部を有することを特徴とする請求項４または請求項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。
8. 請求項７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。

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