JP5334797B2 - セルスタック装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数個の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック装置および収納容器内にセルスタック装置を収納してな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）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタックと、該セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器とを備えるセルスタック装置や、該セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールが種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図１０は従来の燃料電池モジュール７０を示す外観斜視図であり、収納容器７７よりセルスタック装置７１を後方に引出した状態を示している。

セルスタック装置７１は、複数の燃料電池セル７３を配列してなるセルスタック７２の下端部が、各燃料電池セル７３に燃料ガス（第１反応ガス）を供給するためのマニホールド７４に固定されている。このような構成により、セルスタック装置７１が構成されている。なお、図１０に示すセルスタック装置７１においては、セルスタック７２の上方にＵの字状の改質器７５が配置されている。改質器７５において、原燃料供給管７６より供給された原燃料は、水蒸気改質等の改質反応により燃料ガス（水素含有ガス）に改質されて、マニホールド７４に供給される。

図１１は、セルスタック装置７１および改質器７５を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール７０の断面図である。燃料電池モジュール７０を構成する収納容器は、内壁７９と外壁８０とを有する二重構造であり、収納容器の外枠を形成する外壁８０と内壁７９との間が、燃料電池セルに供給される空気（第２反応ガス）流路８１とされている。

空気流路８１を流れた空気は、上方に位置する内壁７９に設けられた空気導入部材７８を流れて、燃料電池セル７３の下端部側に位置する吹出口８２より、燃料電池セル７３の一方の側面側からセルスタック装置７１に供給される。それにより、燃料電池セル７３は、空気導入部材７８より供給された空気と、マニホールド７４から供給された燃料ガスとで発電を行なう。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、図１１に示す燃料電池モジュールにおいて、空気導入部材７８を流れて吹出口８２から供給される空気は、一部は燃料電池セル７３に流れるものの、残りの空気は、燃料電池セル７３の側面を上方に流れ、燃料電池セル７３に十分に供給されないおそれがある。

また、空気導入部材７８の吹出口が、燃料電池セル７３の側面側に向けて設けられているため、吹出口８２より送出された空気は、燃料電池セル７３を通過し燃料電池セル７３の他方の側面側に流れてしまい、燃料電池セル７３に十分に供給されないおそれがある。

それゆえ、本発明においては、燃料電池セルの外側より供給される反応ガスを効率よく燃料電池セルに供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置および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にある。

本発明のセルスタック装置は、内部に長手方向に沿って第１反応ガスを下端部から上端部へ流すための第１反応ガス流路を備え、前記第１反応ガスと第２反応ガスとで発電する柱状の燃料電池セルの複数個を立設させた状態で配列し、かつ隣接する前記燃料電池セル間に集電部材を配置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部を固定するとともに、前記燃料電池セルに前記第１反応ガスを供給するためのマニホールドと、該マニホールドの上方に設けられており、隣接する前記燃料電池セル間に前記第２反応ガスを供給するための第２反応ガス送出口を有する第２反応ガス室とを備えることを特徴とする。

このようなセルスタック装置においては、マニホールドの上方に、隣接する燃料電池セル間に第２反応ガスを供給するための第２反応ガス送出口を有する第２反応ガス室が設けられていることから、燃料電池セル間に十分な量の第２反応ガスを供給することができる。それにより、燃料電池セルの発電効率を向上させることができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記第２反応ガス室が、前記セルスタックが挿入される開口を有する蓋状部材と、該蓋状部材の外周に設けられ、前記マニホールド側に向けて延びる側板とを備えていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、第２反応ガス室が、セルスタックが挿入される開口を有する蓋状部材と、蓋状部材の外周に設けられ、マニホールド側に向けてのびる側板とを備えることから、第２反応ガス送出口が燃料電池セル間に設けられることとなり、第２反応ガスを燃料電池セル間の下方から上方に向けて流れるように供給することができ、燃料電池セルに十分な量の第２反応ガスを供給することができる。それにより、燃料電池セルの発電効率を向上させることができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記蓋状部材の少なくとも前記開口の周囲が絶縁されていることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、蓋状部材の少なくとも開口の周囲が絶縁されていることから、蓋状部材と燃料電池セルとが接触したとしてもセルスタック装置が短絡することを防止することができる。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内の発電室に、請求項１または２に記載のセルスタック装置を収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、前記第２反応ガスを下方から上方へ流すための第１流路と、該第１流路と接続され前記第２反応ガスを前記収納容器の上部において前記燃料電池セルの配列方向と直交する前記燃料電池セルの幅方向に沿った中央部側に向けて流すための第２流路と、該第２流路と接続され前記第２反応ガスを上方から下方に流すための第３流路とを備え、該第３流路を流れた前記第２反応ガスを前記第２反応ガス室へ供給するように、前記第３流路と前記第２反応ガス室とが接続されてい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、収納容器内の発電室に、上記のセルスタック装置を収納してなり、収納容器は、第２反応ガスを下方から上方へ流すための第１流路と、第１流路と接続され第２反応ガスを収納容器の上部において燃料電池セルの配列方向と直交する燃料電池セルの幅方向に沿った中央部側に向けて流すための第２流路と、第２流路と接続され第２反応ガスを上方から下方に流すための第３流路とを備え、第３流路を流れた第２反応ガスを第２反応ガス室へ供給するように、第３流路と第２反応ガス室とが接続されていることから、第２反応ガスが各流路を流れる間に発電室内の排ガスと熱交換されて、温度の上昇した第２反応ガスを第２反応ガス室に供給することができる。

それにより、温度の上昇した第２反応ガスを、燃料電池セル間の下方から上方に向けて流れるように供給することができ、セルスタック装置（燃料電池セル）の発電効率を向上させることができ、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る。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第３流路が、前記収納容器の上部における前記燃料電池セルの配列方向と直交する前記燃料電池セルの幅方向に沿った中央部から垂下するように配置されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、第３流路が、収納容器の上部における燃料電池セルの配列方向と直交する燃料電池セルの幅方向に沿った中央部から垂下するように配置されていることから、発電室内に２つのセルスタック装置を収納した場合において、第２反応ガス室に効率よく第２反応ガスを供給することができ、セルスタック装置の発電効率を向上させることができることから、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る。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器は、前記第３流路と前記第１流路との間に隣接して配置された、前記発電室内の排ガスを上方から下方に流すための第４流路を備えることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、収納容器が、第３流路と第１流路との間に隣接して配置された、発電室内の排ガスを上方から下方に流すための第４流路を備えることから、第２反応ガスが第１流路を流れる間に、第４流路を流れる高温な排ガスの熱と熱交換を行なうことができ、第２反応ガス室に温度の上昇した第２反応ガスを供給することができる。

それにより、温度の上昇した第２反応ガスを、燃料電池セル間の下方から上方に向けて流れるように供給することができ、セルスタック装置（燃料電池セル）の発電効率を向上させることができ、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る。

また、本発明の燃料電池モジュールは、前記第３流路が前記セルスタックの側面側で、前記燃料電池セルの配列方向に沿った一端部から他端部にわたって前記第２反応ガス室と接続されていることが好ましい。

このような燃料電池モジュールにおいては、第３流路がセルスタックの側面側で、燃料電池セルの配列方向に沿った一端部から他端部にわたって第２反応ガス室と接続されていることから、第２反応ガス室に十分な量の第２反応ガスを供給することができ、セルスタックを構成する各燃料電池セルに十分な量の第２反応ガスを供給することができる。それにより、セルスタック装置の発電効率を向上させることができ、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る。

さらに、燃料電池セルの配列方向に沿った一端部から他端部にかけて接続されていることから、セルスタック装置を構成する各燃料電池セルに供給される第２反応ガスの量を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック装置の発電効率を向上させることができ、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る。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置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から、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明のセルスタック装置は、マニホールドの上方に設けられており、隣接する燃料電池セル間に第２反応ガスを供給するための第２反応ガス送出口を有する第２反応ガス室を備えることから、燃料電池セル間に十分な量の第２反応ガスを供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内の発電室に、上記のセルスタック装置を収納してなり、前記収納容器は、第２反応ガスを下方から上方へ流すための第１流路と、第１流路と接続され第２反応ガスを収納容器の上部において燃料電池セルの幅方向に沿った中央部側に向けて流すための第２流路と、第２流路と接続され第２反応ガスを上方から下方に流すための第３流路とを備え、第３流路を流れた第２反応ガスを第２反応ガス室へ供給するように、第３流路と第２反応ガス室とが接続されていることから、第２反応ガスが各流路を流れる間に、発電室内の熱と熱交換を行なうことができ、温度の上昇した第２反応ガスとすることができることから、第２反応ガス室に温度の上昇した第２反応ガスを供給することができる。それにより、燃料電池セル間に温度の上昇した第２反応ガスを供給することができることから、セルスタック装置の発電効率を向上させることができ、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る。

また、本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、セルスタック装置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から、発電効率の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。 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。 本発明のセルスタック装置の他の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。 図４に示すセルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。 図６に示すセルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールの断面図である。 本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す構成図である。 従来のセルスタック装置を収納してなる燃料電池モジュールの外観斜視図である。 図１０に示す燃料電池モジュールの断面図である。

図１は、本発明のセルスタック装置１の一例を示したものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。図２は、図１に示すセルスタック装置の燃料電池セル３、マニホールド７、第２反応ガス室１５を抜粋して示す斜視図である。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。

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極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての酸素極層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、それぞれの燃料電池セル３間に集電部材４を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してセルスタック２を形成し、燃料電池セル３の下端部を、燃料電池セル３に第１反応ガス（燃料ガス）を供給するためのマニホールド７に固定して構成されている。マニホールド７の上部には、燃料電池セル３間に第２反応ガス（空気）を供給するための第２反応ガス室１５が配置されている。

そして燃料電池セル３の内側（燃料極層８側）に第１反応ガス（燃料ガス）が供給され、燃料電池セル３の外側（酸素極層１０側）に第２反応ガス（空気）供給されることにより、燃料電池セル３が発電する。なお、燃料極層８、固体電解質層９および酸素極層１０がこの順に積層された部位（以下、発電部と略す場合がある。）において、燃料電池セル３が発電する。なお、以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料極層８とし、外側電極層を酸素極層１０として説明する。また、特に断りのない限り第１反応ガスを燃料ガス、第２反応ガスを空気として説明する。

また、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に下端部が固定された導電部材５を具備している。なお導電部材５は、セル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、燃料ガス（第１反応ガス）を流すためのガス流路１３が燃料電池セル３の一端から他端に貫通するように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ＮｉＯの少なくとも一方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、燃料ガスと空気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緻密な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、耐還元性およ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の外側を流通する空気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の下端部と導電部材５の下端部とが、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、マニホールド７内の燃料ガス室（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、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の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ＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、ＬａＭｎＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ_３）、ＬａＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ_３）、ＬａＣｏＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ_３）の少なくとも１種から構成することが好ましく、特に６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物から構成することが特に好ましい。なお、ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在してもよいこのような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、それぞれの燃料電池セル３は集電部材４を介して電気的に直列に接続される。なお、集電部材４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な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。

また、燃料電池装置の発電中に、高温な酸化雰囲気に曝されることから、Ｃｒを含有する合金を用いて作製することが好ましい。さらに、集電部材４の表面の一部、好ましくは全体が、希土類元素を含有するペロブスカイト形酸化物等を用いてコーティングされていることが好ましい。

なお、集電部材４の長手方向の長さおよび幅方向の長さは、発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることが好ましい。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。

マニホールド７は、箱状の部材の上面に、セルスタック２の外周を取り囲むように形成された枠状の部材が載置されて構成されており、セルスタック２は、枠状の部材内に挿入して配置され、ガラス等の絶縁性接着材により固定されている。マニホールド７（箱状の部材）内は中空になっており、箱状の部材に燃料ガス供給管（図示せず）が接続され、燃料ガス供給管より供給される燃料ガスを燃料電池セル３のガス流路１３に供給する。なお、セルスタック２を固定する枠状の部材と箱状の部材とは、ガラス等によりシールすることが好ましい。それにより、マニホールド７内から燃料ガスがリークすることを抑制することができる。

第２反応ガス室１５は、セルスタック２が挿入される開口１６を有する蓋状部材１９と、蓋状部材１９の外周に設けられ、マニホールド７側に延びる側板２０とにより構成されており、マニホールド７の上面（枠状の部材）に接するように配置されている。なお、図２に示す第２反応ガス室１５においては、セル配列方向に沿った第２反応ガス室１５の少なくとも一方の側板に、セル配列方向に沿った一端部から他端部にかけて第２反応ガス流入口１８が設けられている。なお、側板２０は開口１６よりも外側に配置されている。そして、第２反応ガス室１５は、蓋状部材１９に設けられた開口１６とセルスタック３との間に設けられた第２反応ガス送出口１７を介して、第２反応ガス流入口１８から流入した第２反応ガス（空気）が、第２反応ガスが第２反応ガス送出口１７より燃料電池セル３間の下方から上方に向けて流れるようになっている。

なお、第２反応ガス送出口１７とは、第２反応ガス室１５にセルスタック２を挿入してなるセルスタック装置１を平面視した場合における集電部材４のそれぞれの内側（燃料電池セル３間）を示す。

また、第２反応ガス室１５は、マニホールド７との接合強度を高めるにあたり、底部材を設けることも可能である。この場合、底部材は少なくとも開口１６と同等以上の大きさの開口を設ける。

本発明のセルスタック装置１は、隣接する燃料電池セル３間に開口する第２反応ガス送出口１８を有する第２反応ガス室１５を備えることから、空気を効率よく燃料電池セル３（酸素極層１０）に供給することができ、燃料電池セル３の発電効率を向上させることができる。そのため、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。

なお、本発明のセルスタック装置１において、第２反応ガス室１５をマニホールド７の枠状の部材の上面に接するように配置する例を示したが、マニホールド７の箱状の部材の上面に接するように配置してもよい。その場合においても、第２反応ガス室１５の容積を大きくすることができ、効率よく空気を燃料電池セル３に供給することができる。

ここで、図１１に示す従来の燃料電池モジュール７０では、空気導入部材７８の吹出口８２が、セルスタック７２の側面側に向けて設けられていたため、吹出口８２から燃料電池セル７３に供給される空気は、一部は燃料電池セル７３間に流れるものの、残りの空気は、燃料電池セル７３の側面を上方に流れ、燃料電池セル７３に十分に供給されないおそれがあった。

また、空気導入部材７８の吹出口８２が、セルスタック７２の側面側に向けて設けられていたため、吹出口８２より創出された空気は、燃料電池セル７３間を通過し燃料電池セル７３の他方の側面側に流れてしまい、燃料電池セル７３に十分に供給されないおそれがあった。

本発明のセルスタック装置１においては、第２反応ガス室１５の蓋状部材１９に開口１６が設けられていることから、燃料電池セル３間に第２反応ガス送出口１７を設けることができ、燃料電池セル３間の下方から上方に向けて流れるように第２反応ガスを供給することができることから、燃料電池セル３の発電効率を向上させることができる。それにより、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。

さらに、図２に示すセルスタック装置１においては、第２反応ガス室１５のセル配列方向に沿った側板に、セル配列方向に沿った一端部から他端部にかけて第２反応ガス流入口１８が設けられていることから、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３に供給される第２反応ガスの量を均一に近づけることができる。それにより、セルスタック２の発電効率を向上させることができ、発電効率の向上したセルスタック装置とすることができる。

なお、第２反応ガス流入口１８がセル配列方向に沿った一端部から他端部にかけて設けられた例を示したが、複数の穴により第２反応ガス流入口１８を形成してもよい。その場合においても、複数の穴をセル配列方向に沿った一端部から他端部にかけて設けることにより、各燃料電池セル３に供給される第２反応ガスの量を均一に近づけることができる。

なお、第２反応ガス室１５は、絶縁性のセラミック等の絶縁体により作製することができる。第２反応ガス室１５を絶縁体により作製することで、セルスタック３と開口１６とが接触した場合においてもセルスタック３の短絡を抑制することができる。また、第２反応ガス室１５を金属等の導電体により作製する場合には、開口１６の周囲に絶縁膜をコーティングすることが好ましい。それにより、セルスタック３の短絡を抑制することができる。さらにセルスタック３の短絡を抑制する観点から、第２反応ガス室１５の外表面の全体を絶縁膜をコーティングすることもできる。なお、マニホールド７においても、絶縁膜をコーティングすることでより短絡を抑制することができる。なお、開口１６の周囲とは開口１６から１ｃｍ程度の領域の蓋状部材１９の表裏面および開口１６の内側を示し、セルスタック２と接触する領域およびその近傍を指す。

また、第２反応ガス室１５とマニホールド７との接続部をガラス等によりシールすることが好ましい。それにより、第２反応ガス室１５から空気がリークすることを抑制することができ、より効率よく空気を燃料電池セル３に供給することができる。

さらに、第２反応ガス室１５は、燃料電池装置の発電中に高温な酸化雰囲気に曝されることから、耐酸化性のコーティングを施すことが好ましく、耐酸化性および絶縁性を備えるコーティングをすることがより好ましい。耐酸化性および絶縁性コーティングとしては、酸化アルミニウム膜のコーティングがあげられる。

図３は、収納容器２２内に、セルスタック装置２８を収納してなる本発明の燃料電池モジュール２１（以下、モジュールと略す場合がある。）の一例を示す外観斜視図である。なお、図４に示すセルスタック装置２８においては、セルスタック２の上方にＵの字状の改質器２３が配置されている。改質器２３においては、原燃料供給管２４より供給された原燃料が、気化部２５にて温度の上昇した原燃料ガスとされたのち、改質部２６内にて水蒸気改質等の改質反応が行なわれて燃料ガス（水素含有ガス）に改質される。そして気化部２５と改質部２６とからなる改質器２３にて生成された燃料ガスは、燃料ガス供給管２７を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７から各燃料電池セル３（ガス流路１３）に燃料ガスが供給される。

なお、図３に示すモジュール２１においては、収納容器２２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２８を後方に取り出した状態を示している。

図４は、本発明のセルスタック装置の他の一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線断面図である。

図４に示すセルスタック装置２８は、マニホールド２９に２つのセルスタック２が固定されている。

セルスタック装置２８は、２つのセルスタック２を導電連結部材３０により電気的に直列に接続して構成されている。具体的には、一方のセルスタック２のセル配列方向における一端に配置された導電部材５と、他方のセルスタック２のセル配列方向における他端に配置された導電部材５とを導電連結部材３０により接続して構成されている。なお、２つのセルスタック２は同じものを用いてよいが、電気的に直列に接続するため、他方のセルスタック２は一方のセルスタック２と逆向きに配置されている。

マニホールド２９は、箱状の部材の上面に、それぞれのセルスタック２の外周を取り囲むように形成された２つの枠状の部材が載置されて構成されており、それぞれのセルスタック２は、枠状の部材内に挿入して配置され、ガラス等の絶縁性接着材により固定されている。そして、マニホールド２９（箱状の部材）内は中空になっており、箱状の部材に燃料ガス供給管（図示せず）が接続されている。すなわち、図４に示すセルスタック装置２８においては、１つのマニホールド２９（箱状の部材）より、２つのセルスタック２を構成する各燃料電池セル３のガス流路１３に燃料ガスを供給する。

ここで、第２反応ガス室３１は、マニホールド２９の２つの枠状の部材を覆うように配置されている。それにより、第２反応ガス室３１の容積を大きくすることができ、そのため、燃料電池セル３間に効率よくの空気を供給することができ、発電効率の向上したセルスタック装置２８とすることができる。

なお、図４に示すセルスタック装置２８は、マニホールド２９のそれぞれの枠状の部材の間を底部材により塞いでいる。それにより、第２反応ガス室２４内に空気が滞留することを抑制することができ、燃料電池セル３間にさらに空気を供給することができる。

図５は、図４に示す２つのセルスタック２を備えるセルスタック装置２８を収納容器の発電室内に収納してなるモジュール２１を概略的に示す断面図である。

モジュール２１を構成する収納容器２２は、セル配列方向に沿う側部と、該側部に対向する収納容器２２の外壁との間に、空気や排ガスを流すための流路を備えている。

ここで、収納容器２２は、外壁３２の内側に所定間隔をあけて第１の壁３３が形成されており、第１の壁３３の内側に所定間隔をあけて第２の壁３４が配置されており、外壁３２と発電室３５との間に所定間隔をあけて第３の壁３６が配置されている。それにより、外壁３２と第１の壁３３とで形成された空間が第１の流路３７となり、第１の壁３３と発第３の壁３６とで形成された空間が第２の流路３８となる。

また、収納容器２２の上部における燃料電池セル３の配列方向と直交する燃料電池セル３の幅方向（以下、単に幅方向と略す場合がある。）に沿った中央部には、一端が第３の壁３６（第２の流路３８）に接続され、発電室３５に垂下する第２反応ガス導入板３９が設けられている。なお、第２反応ガス導入板３９内が第３の流路４０となる。

また第２の反応ガス導入板３９の他端部は、吹出口４１を介して、第２反応ガス室３１（第２反応ガス流入口１８）に接続されている。なお、吹出口４１と、第２反応ガス室３１に設けられた第２反応ガス流入口１８は、それぞれセル配列方向に沿って一端から他端にかけて設けられている。

ここで、第２反応ガス室３１が、マニホールド２９の２つの枠状の部材を覆うように配置されていることから、第２反応ガス室３１に設ける第２反応ガス流入口１８を１箇所とすることができる。それにより、吹出口４１と第２反応ガス流入口１８との接続が容易となり、モジュール２１の製造工程を簡略化することができる。なお、接続方法は溶接等の方法を用いてもよく、ガラス等によりシールして接続してもよい。

さらに、収納容器２２の底部には、空気を収納容器２２内に供給するための空気供給管４２が接続されており、空気供給管４２より供給される空気は空気導入部４３に流れる。空気導入部４３は空気導入口４４により第１の流路３７とつながっているため、空気導入部４３を流れる空気は、空気導入口４４を通して、第１の流路３７に流れる。第１の流路３７を上方に向けて流れた空気は、収納容器２２の上壁（外壁３２）に沿って設けられた第２の流路３８に流れ、燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部に向けて流れる。そして、燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部に向けて流れた空気は、燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部から垂下する第２反応ガス導入板３９内を下方に向けて流れて、吹出口４１より、第２反応ガス流入口１８を介して第２反応ガス室３１内に流れる。第２反応ガス室３１内に流れた空気は、第２反応ガス送出口１７を介して各燃料電池セル３間を、下方から上方に向けて流れる。

一方、燃料電池セル３より排出される排ガスや、燃料電池セル３の他端部側（上端部側）で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第１の壁３３と第２の壁３４とで形成された空間である第４の流路４５に流入する。そして、第４の流路４５を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口４６を通して排ガス収集部４７に流れた後、排ガス収集部４７に接続された排ガス排気管（図示せず）を通して収納容器２２の外部に排気される。なお、符号４５は断熱材を示す。

それにより、第１の流路３７を流れる空気は、第４の流路４５を流れる排ガスと熱交換を行うことができ、燃料電池セル３に供給される空気の温度を上昇させることができる。また、第２の流路３８を流れる空気は、発電室３５内の排熱と熱交換を行うことができ、燃料電池セル３に供給される空気の温度をさらに上昇させることができる。さらに、第３の壁３６の燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部から第２反応ガス導入板３９が発電室３５内に垂下するように設けられており、第２反応ガス導入板３９の内部が第３の流路４０となっていることから、第３の流路４０を流れる空気は、発電室３５内の熱とで熱交換を行なうことができ、燃料電池セル３に供給される空気の温度をさらに上昇させることができる。それにより、温度の上昇した空気を、第２反応ガス送出口１８介して燃料電池セル３間に効率よく供給することができることから、発電効率の向上した燃料電池モジュール２１とすることができる。

なお、燃料電池セル３の配列方向と直交する燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部より発電室３５に垂下する第２反応ガス導入板３９を備える収納容器２２においては、特にセルスタック２を２つ有するセルスタック装置２８を収納する場合において有用となる。なお、符号４８は断熱材を示す。

図６は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示したものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線断面図である。図７は、図６に示すセルスタック装置４９を収納容器に収納してなる燃料電池モジュール５０を概略的に示す断面図である。

図６においては、１つのマニホールド７上に１つのセルスタック２と１つの第２反応ガス室が配置された図１および図２に示すタイプのセルスタック装置１を２つ並置し、一方のセルスタック２のセル配列方向における一端に配置された導電部材５と、他方のセルスタック２のセル配列方向における他端に配置された導電部材５とを導電連結部材３０により、電気的に直列に接続している。

そして、第２反応ガス導入板３９は、それぞれのセルスタック装置１における第２反応ガス室１５（第２反応ガス流入口１８）と接続されている。このような燃料電池モジュール５０においても、温度の上昇した空気を、燃料電池セル３間に効率よく供給することができ、発電効率の向上したモジュール５０とすることができる。

図８は、図１に示すセルスタック装置１を収納容器に１つ収納してなる燃料電池モジュール５１を概略的に示す断面図である。

収納容器２２は、外壁３２の内側に所定間隔をあけて第１の壁３３が配置されており、第１の壁３３の内側に所定間隔をあけて第２の壁３４が配置されており、さらに第２の壁３４の内側に所定間隔をあけて第４の壁５２が配置されており、外壁３２と発電室３５との間に所定間隔をあけて第３の壁３６が配置され、第３の壁３８と所定間隔をあけて第５の壁５３が設けられている。ている。

それにより、外壁３２と第１の壁３３とで形成された空間が第１の流路３７となり、外壁３２と第３の壁３６とで形成された空間が第２の流路３８となり、第２の壁３４と第４の壁５２とで形成された空間が第３の流路４０となり、第１の壁３３と第２の壁３４とで形成された空間が第４の流路４５となり、第３の壁３６と第５の壁５３とで形成された空間が第５の流路５４となる。

また、収納容器２２の底部には、空気（酸素含有ガス）を収納容器２２内に供給するための空気供給管４２が接続されており、空気供給管４２より供給される空気は空気導入部４３に流れる。空気導入部４３は空気導入口４４により第１の流路３７とつながっているため、空気導入部４３を流れる空気は、空気導入口４４を通して、第１の流路３７に流れる。第１の流路３７を上方に向けて流れた空気は、収納容器２２の上壁（外壁３２）に沿って設けられた第２の流路３８に流れ、燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部に向けて流れる。そして、燃料電池セル３の幅方向に沿った中央部に向けて流れた空気は第５の流路５４に流れ込み、第５の流路５４を燃料電池セル３の幅方向に沿った側部に向けてそれぞれ流れ、第３の流路４０を上方から下方に向けて流れる。そして、第４の壁５２の下端部は、吹出口４１を介して、第２反応ガス室１５（第２反応ガス流入口１８）に接続されている。なお、吹出口４１と、第２反応ガス室１５に設けられた第２反応ガス流入口１８は、それぞれセル配列方向に沿って一端から他端にかけて設けられている。それゆえ、第３の流路４０を下方に向けて流れた空気は、吹出口４１を介して、第２反応ガス室１５内に供給され、第２反応ガス室１５に供給された空気が、第２反応ガス送出口１７を介して燃料電池セル３間に供給される。

一方、燃料電池セル３より排出される排ガスや、燃料電池セル３の他端部側（上端部側）で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより生じる排ガスは、第２の壁３４に設けられた排ガス流通口５５を通して第４の流路４５に流入する。そして、第４の流路４５を下方に向けて流れた排ガスは、排ガス収集口４６を通して排ガス収集部４４に流れた後、排ガス収集部４７に接続された排ガス排気管（図示せず）を通して収納容器２６の外部に排気される。なお、符号４８は断熱材、２３は改質器を示している。

モジュール５１においては、空気導入管４２より供給される空気が、空気導入部４３を流れる間に、排ガス収集部４７を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路３７を流れる間に、第４の流路４５を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路３８、第５の流路３９および第３の流路４０を流れる間に発電室３５内の排熱と熱交換されることとなる。そのため、温度の上昇した空気を燃料電池セル３間に供給することができ発電効率の向上したモジュール５１とすることができる。

また、第２反応ガス室１５の両側部に設けられた第２反応ガス流入口１８と、吹出口４１とが接続されていることから。セル配列方向における第２反応ガス室１５に流入する第２反応ガス（空気）の量を均一に近づけることができ、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３に供給される空気の量を均一に近づけることができることから、発電効率の向上したモジュール５１とすることができる。

なお、セルスタック装置１を１つ収納してなる燃料電池モジュールにおいては、外壁３２の内側に所定間隔をあけて第１の壁３３が配置され、第１の壁３３の内側に所定間隔をあけて第２の壁３４が配置され、第２の壁３４の内側に所定間隔をあけて第４の壁５２が配置され、第２の壁３４と第４の壁５２とにより形成された第３の流路４０を流れた空気が、第２反応ガス室１５に供給される構成であれば、他の構成は適宜変更することができる。

例えば、第５の壁５３の内側に第６の壁を設け、発電室３５内の排ガスを第５の壁５３と第６の壁により形成された第６の流路に流した後、排ガス流通口５５を通して第４の流路４０に流入するように構成してもよい。このようなモジュールにおいては、第５の流路を流れる空気と、第６の流路を流れる排ガスとで効率よく熱交換することができる。

また、第４の壁および第５の壁を設けない構成とすることもできる。この場合には、モジュール（収納容器）の構成を簡略化することができる。

図９は、外装ケース内に図８で示した燃料電池モジュール５１と、燃料電池モジュール５１を動作させるための補機（図示せず）とを収納してな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。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６１と外装板６２から構成される外装ケース内を仕切板６３により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール５１を収納するモジュール収納室６４とし、下方側をモジュール５１を動作させるための補機を収納する補機収納室６５として構成されている。なお、補機収納室６５に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板６３には、補機収納室６５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６６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６２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６７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、発電効率の向上したモジュール５１をモジュール収納室６４に収納し、モジュール５１を動作させるための補機を補機収納室６５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６０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、上述の説明において第１反応ガスを燃料ガス、第２反応ガスを空気（酸素含有ガス）とした例について説明したが、例えば第１反応ガスを空気、第２反応ガスを燃料ガスとすることもできる。この場合、燃料電池セルを、導電性支持体上に、酸素極層、固体電解質層、燃料極層を順に設けた構成するほか、適宜モジュールの構成を変更することができる。

例えば、セルスタック装置を２つ収納する燃料電池モジュールを示したが、さらに多くのセルスタック装置を収納する燃料電池モジュールとしてもよい。その場合においても、それぞれのセルスタックに第２反応ガス室を設けることで、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る。

１、２８、４９、７１：セルスタック装置
２、７２：セルスタック
３、７３：燃料電池セル
７、２９、７４：マニホールド
１５、３１：第２反応ガス室
１７：第２反応ガス送出口
２１、５０、５１、７０：燃料電池モジュール
６０：燃料電池装置

Claims (8)

1. 内部に長手方向に沿って第１反応ガスを下端部から上端部へ流すための第１反応ガス流路を備え、前記第１反応ガスと第２反応ガスとで発電する柱状の燃料電池セルの複数個を立設させた状態で配列し、かつ隣接する前記燃料電池セル間に集電部材を配置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部を固定するとともに、前記燃料電池セルに前記第１反応ガスを供給するためのマニホールドと、
   該マニホールドの上方に設けられており、隣接する前記燃料電池セル間に前記第２反応ガスを供給するための第２反応ガス送出口を有する第２反応ガス室とを備えることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記第２反応ガス室は、前記セルスタックが挿入される開口を有する蓋状部材と、該蓋状部材の外周に設けられ、前記マニホールド側に向けて延びる側板とを備えてい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. 前記蓋状部材の少なくとも前記開口の周囲が絶縁されていることを特徴とする請求項２に記載のセルスタック装置。
4. 収納容器内の発電室に、請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセルスタック装置を収納してなる燃料電池モジュールであって、前記収納容器は、
   前記第２反応ガスを下方から上方へ流すための第１流路と、
   該第１流路と接続され前記第２反応ガスを前記収納容器の上部において前記燃料電池セルの配列方向と直交する前記燃料電池セルの幅方向に沿った中央部側に向けて流すための第２流路と、
   該第２流路と接続され前記第２反応ガスを上方から下方に流すための第３流路とを備え、
   該第３流路を流れた前記第２反応ガスを前記第２反応ガス室へ供給するように、前記第３流路と前記第２反応ガス室とが接続されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 前記第３流路が、前記収納容器の上部における前記燃料電池セルの配列方向と直交する前記燃料電池セルの幅方向に沿った中央部から垂下するように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記収納容器は、前記第３流路と前記第１流路との間に隣接して配置された、前記発電室内の排ガスを上方から下方に流すための第４流路を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池モジュール。
7. 前記第３流路が前記セルスタックの側面側で、前記燃料電池セルの配列方向に沿った一端部から他端部にわたって前記第２反応ガス室と接続されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
8. 請求項４乃至７のいずれかに記載の燃料電池モジュールと、前記セルスタック装置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。
   

Images