JP5413806B2

JP5413806B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5413806B2
Application number: JP2009251108A
Authority: JP
Inventors: 直樹渡邉; 陽祐赤木; 肇大村; 暢夫井坂
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2011096577A

Description

本発明は、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）により作動する複数の燃料電池セルを備えた燃料電池に関する。

このような燃料電池の一種として、燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その燃料電池セルの内側のアノード電極に燃料ガスとしての水素ガスを供給し、外側のカソード電極に酸化剤ガスとしての空気を供給することで発電反応を行わせる固体電解質形の燃料電池が知られている。この燃料電池は、通常、複数の燃料電池セルが並設されてなる燃料電池セルスタックを有している。燃料電池セルスタックには、電極部材が接続され、発電反応により生じた電力を外部に取り出すようになっている。

燃料電池セルにおける発電効率を高めるためには、燃料電池セルスタックの燃料電池セル間に高濃度の酸化剤ガスを供給することが望ましい。そのため、例えば、特許文献１では、燃料電池セルスタックの側面を壁状枠体で包囲し、燃料電池セルスタックに供給した酸化剤ガスの拡散を防止することが提案されている。

特開２００７−２３４３８４号公報

しかしながら、上記従来技術においては、電極部材との関係において壁状枠体を如何に配置するかについては十分に検討されていなかった。

すなわち、酸化剤ガスの拡散を防止するために壁状枠体を燃料電池セルスタックの側面に近接して配置すると、電極部材と拡散防止壁との距離が小さくなり、酸化剤ガスを介して電極部材と拡散防止壁とが通電し、漏電が生じてしまう。この場合、燃料電池の発電効率が低下し、また燃料電池セルが劣化ないし破損してしまう。一方で、電極部材からの漏電を防止するために、壁状枠体を燃料電池セルスタックの側面から離間させすぎると、壁状枠体本来の酸化剤ガスの拡散防止効果が得られず、結果として燃料電池の発電効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池セルスタックにおける酸化剤ガスの拡散抑制と電極部材における漏電防止とを両立させ、燃料電池の発電効率の低下を抑制する燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池において、内側を軸方向の一端から他端に向かって流れる燃料ガスと外側を軸方向の一端から他端に向かって流れる酸化剤ガスとにより作動する燃料電池セルが複数配列された燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックの少なくとも一つの側面を覆う拡散防止壁と、前記燃料電池セルスタック及び前記拡散防止壁を収容するケーシングと、前記燃料電池セルスタックの端に位置する燃料電池セルと電気的に接続して該燃料電池セルスタックから電力を取りだすための電極部材と、を備え、前記電極部材は、前記軸方向と同一方向に延在する本体部を有し、前記拡散防止壁は、該拡散防止壁の一部分に、前記燃料電池セルスタックから離間する方向に突設した突設部を有し、前記電極部材の前記本体部は、前記突設部と前記燃料電池セルスタックの側面との間で形成される電極配置空間に配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、電極部材は、燃料電池セルスタックから離間する方向に突設している突設部と、燃料電池セルスタックの側面との間に配置されるので、拡散防止壁の突設部以外の部位を燃料電池セルスタックに近接させて酸化剤ガスの拡散を抑制しつつ、電極部材と拡散防止壁との間を通電が生じないように離間させておくことができる。そのため、燃料電池セルスタックに供給される酸化剤ガスの拡散を抑制して発電効率を高めながらも、燃料電池セルスタックから電極部材に流れる電流が酸化剤ガスを介して拡散防止壁へ通電し、漏電が生じることを防止できる。

また、上記構成において、前記電極配置空間は、前記電極部材を該電極配置空間の外部に取り出すための開口を、前記軸方向の一端寄りに有するようにしてもよい。

燃料電池セルの外側で、軸方向の一端に供給される酸化剤ガスは、燃料電池セルの一端から他端に流れるにかけて拡散していくので、燃料電池セルの一端側においては、他端側に比べてそれほど拡散していない。上記構成によれば、電極配置空間の開口は、酸化剤ガスがそれほど拡散していない燃料電池セルの一端寄りに配置されているので、燃料電池セルスタックに供給された酸化剤ガスが電極配置空間の開口から流れ出てしまうことが抑制される。これにより、各燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの濃度が低下し、発電効率が低下してしまうことを抑制できる。なお、本発明において、「一端寄り」とは、燃料電池セルの一端と他端の比較において、一端により近い側であることを示す。

また、上記構成において、前記開口の開口方向は、前記軸方向と略同一であるようにしてもよい。

上記構成によれば、電極配置空間の開口の開口方向は、軸方向と略同一方向であるので、酸化剤ガスが燃料電池セルの他端側から一端側に向かって流れなければ、電極配置空間の開口から流れ出ることはない。この点、燃料電池セルスタックに供給された酸化剤ガスは、燃料電池セルの一端側においては、軸方向の他端に向かう速度成分が大きく、電極配置空間の開口から流れ出る方向とは逆方向に流れる。そのため、燃料電池セルスタックに供給された酸化剤ガスが、電極配置空間の開口から流れ出てしまうことが抑制される。これにより、各燃料電池セルに供給される酸化剤ガスの濃度が低下し、発電効率が低下してしまうことを抑制できる。なお、本発明において、「開口方向」とは、開口を構成する開口面の法線方向を示す。

また、前記電極部材は、前記燃料電池セルスタックの側面の端部寄りに配置されているようにしてもよい。

燃料電池セルスタックの側面においては、側面の端部に配置された燃料電池セルのほうが、側面の中央部に配置された燃料電池セルに比べて温度は低くなる。側面を覆う拡散防止壁も燃料電池セルスタックからの熱によって加熱されるので同様の温度分布が生じる。ここで、電極部材が、高温の燃料電池セルスタックの側面及び高温の拡散防止壁との間に配置され、それらから大きな熱量を受けて高温となると、酸化が生じて電極としての機能が低下してしまうおそれがある。この点、上記構成によれば、電極部材は、中央部に比べて比較的低温の、燃料電池セルスタックの側面及び拡散防止壁の間に配置されるので、双方から受ける熱量をより小さくすることができ、電極部材が過度に加熱されて酸化してしまうことを抑制できる。なお、本発明において、「端部寄り」とは、燃料電池セルスタックの側面の中央部と端部との比較において、端部により近い側であることを示す。

本発明によれば、燃料電池セルスタックにおける酸化剤ガスの拡散の抑制と電極部材からの漏電の防止とを両立させ、燃料電池の発電効率の低下を抑制する燃料電池を提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池のカバー部材が外された状態を示す斜視図である。同燃料電池を図１のＡ方向に垂直な方向で切った断面図である。同燃料電池を図１のＢ方向に垂直な方向できった断面図である。同燃料電池の燃料電池セルを示す部分断面図である。同燃料電池の燃料電池セルモジュールを示す斜視図である。同燃料電池のケーシングを取り外した状態を示す斜視図である。同燃料電池を図６のＢ方向からみた要部拡大図である。同燃料電池を図７のＩ−Ｉ面で切って上面から見た上面図である。同燃料電池の拡散防止壁８Ａを示す図である。同燃料電池の電極部材９Ａを示す図である。

本発明の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。また各図では、説明を判り易くするため、各部材の厚さやサイズ、拡大・縮小率等は、実際のものとは一致させずに記載した。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池のカバー部材が外された状態を示す斜視図であり、図２は、同燃料電池を図１の矢印Ａ方向と垂直な面で切った断面図であり、図３は、同燃料電池を図１のＢ方向に垂直な面で切った断面図である。

カバー部材（図１及び図３には明示せず、図２にその外形を鎖線で示す。）は、正面側（図１のＢ方向から見た側）の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示せず）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。

カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間のうち、燃料電池セルスタック４が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間のうち、他方の空間が排出ガス室１７（排出ガス室）である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。

仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５Ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５Ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５Ａ間には隙間１５Ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５Ｂから排出ガス室１７へと導入される。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口１１（流出口）から外部へと排出される。

仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４が載置されている。燃料電池セルスタック４は、１０個の燃料電池セルモジュール４０から構成され、各燃料電池セルモジュール４０は、１６本の燃料電池セル４００から構成されている。従って、燃料電池セルスタック４は、１６０本の燃料電池セル４００を有している。

ガスタンク３から燃料ガスが、各燃料電池セル４００の管内に供給される。より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルモジュール４０の下支持板４０Ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４０Ｂを密接させてガスタンク３と燃料電池セルスタック４とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４を構成する燃料電池セル４００は、その先端部分を上部側に向けて、軸方向一端が鉛直方向下方に、軸方向他端が鉛直方向上方になるように、ガスタンク３に立設されている。

各燃料電池セル４００は、管状であり、燃料電池セル４００の管内（内側）を燃料電池セル４００の下方から上方へと軸方向に流れるガスと、その管外（外側）を下方から上方へ軸方向に流れるガスの作用により発電反応が起きる。本実施形態では、燃料電池セル４００の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４００の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガス（発電用空気）である。

次に図４により燃料電池セル４００について説明する。図４は、本発明の実施形態による燃料電池の燃料電池セルを示す部分断面図である。

図４に示すように、燃料電池セル４００は、燃料電池セル本体４００Ａと、この燃料電池セル本体４００Ａの軸方向の一端及び他端にそれぞれ接続された内側電極端子４００Ｂとを備えている。

燃料電池セル本体４００Ａは、軸方向の下方から上方へ延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路４２０を形成する円筒形の内側電極層４４０と、円筒形の外側電極層４６０と、内側電極層４４０と外側電極層４６０との間にある電解質層４８０とを備えている。この内側電極層４４０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層４６０は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セル本体４００Ａの一端側と他端側に取り付けられた内側電極端子４００Ｂは、同一構造であるため、ここでは、一端側に取り付けられた内側電極端子４００Ｂについて具体的に説明する。内側電極端子４００Ｂは、導電性のシール材４９０を介して内側電極層４４０の外周面と接続され、さらに、内側電極層４４の上端面とは直接接触することにより、内側電極層４４０と電気的に接続されている。内側電極端子４００Ｂの中心部には、燃料ガス流路４２０と連通する燃料ガス流路５２が形成されている。

内側電極層４４０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層４６０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたラ
ンタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープした
ランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープした
ランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

電解質層４８０は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

次に図５により燃料電池セルモジュール４０について説明する。図５は、本発明の実施形態による燃料電池の燃料電池セルモジュールを示す斜視図である。

図５に示すように、燃料電池セルモジュール４０は、１６本の燃料電池セル４００を備え、これらの燃料電池セル４００の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の上支持板４０Ａ、下支持板４０Ｂ及びにより支持されている。これらの上支持板４０Ａ、下支持板４０Ｂには、内側電極端子４００Ｂが貫通可能な貫通穴４２Ａ及び４２Ｂがそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルモジュール４０には、集電体４４が取り付けられている。この集電体４４は、燃料電池セル４００の内側電極端子４００Ｂと電気的に接続される燃料極用接続部４４Ａと、燃料電池セル４００の外側電極層４６０の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部４４Ｂとが一体的に形成されている。空気極用接続部４４Ｂは、外側電極層４６０の表面を上下方向に延びる鉛直部と、この鉛直部から外側電極層４６０の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部とから形成されている。また、燃料極用接続部４４Ａは、空気極用接続部４４Ｂの鉛直部から燃料電池セル４００の上下方向に位置する内側電極端子４００Ｂに向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。

さらに、燃料電池セルモジュール４０の端に位置する２個の燃料電池セル４００の上側端及び下側端の内側電極端子４００Ｂには、それぞれ外部端子４６が接続されている。これらの外部端子４６は、隣接する燃料電池セルモジュール４０の端にある燃料電池セル４００の外部端子４６に接続される。これにより、１０個の燃料電池セルモジュール４０が直列に接続される。すなわち、燃料電池セルスタック４を構成する１６０本の燃料電池セル４００の全てが直列接続される。なお、燃料電池セルスタック４の長手方向端部に配置される燃料電池セルモジュール４０の外部端子４６は、後述する電極部材９Ａ、９Ｂに接続される。これにより、燃料電池セルスタック４で発生した電力は、電極部材９Ａ、９Ｂを介して燃料電池１の外部に取り出される。

ここで、図１乃至３に戻り、燃料電池の説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図６も参照する。図６は、図１に示す燃料電池からケーシング７を取り外した状態を示す斜視図である。

本実施形態では、燃料電池セルスタック４の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ａと配管６Ｂとが繋がれていて、これらの配管６Ａ及び配管６Ｂによって、改質器５は燃料電池セルスタック４と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ａは、被改質ガスとしての都市ガス、空気（改質用空気）、及び水蒸気を改質器５に供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｂは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。

改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｂを通ってガスタンク３内の配管６Ｃへと供給される。配管６Ｃは燃料電池セルスタック４の下方を水平に延びている。配管６Ｃの下方面には、複数の燃料供給孔６０が形成されており、この燃料供給孔６０から改質された燃料ガスがガスタンク３内に供給される。

なお、改質器５に対して配管６Ａが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｂが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。

本実施形態では、燃料電池セルスタック４、改質器５及び後述する拡散防止壁８Ａ、８Ｂを覆うように、ケーシング７が設けられている。ケーシング７は、空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂと、空気分配室７２と、空気集約室７４と、空気流路管７６と、外壁７８Ａ、７８Ｂと、上壁７９を有している。ケーシング７には、短手方向で互いに対向する一対の空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂと、長手方向で互いに対向する一対の外壁７８Ａ、７８Ｂとが、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。ケーシング７は、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、ケーシング７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。

空気分配室７２は、外壁７８Ａの外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７２は、空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂと外壁７８Ａ、７８Ｂとによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７２には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７２には、複数流路に分かれた空気流路管７６が繋がれている。

空気流路管７６は、上記した箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂに沿うように複数流路配置されている。空気流路管７６の一端は空気分配室７２に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７２に流入した空気は、複数流路に分かれた空気流路管７６を通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。

空気集約室７４は、外壁７８Ｂの内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４は、上記した箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂと密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂへと流れ出すように構成されている。

空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂは、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂそれぞれは、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７００Ａ、７００Ｂ、第二室７０２Ａ、７０２Ｂ、第三室７０４Ａ、７０４Ｂとして形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７００Ａ、７００Ｂに流れ込んだ後、第二室７０２Ａ、７０２Ｂに流れ込み、その後第三室７０４Ａ、７０４Ｂに流れ込む。

第三室７０４Ａ、７０４Ｂにはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７０７Ａ、７０７Ｂが形成されている。この空気流入孔７０７Ａ、７０７Ｂは、燃料電池セルスタック４が連設されている方向に、各燃料電池セル４００間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４００に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。

空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂに流れ込んだ空気は、第三室７０４Ａ、７０４Ｂの空気流入孔７０７Ａ、７０７Ｂを矢印１Ａ、１Ｂのように通って、発電室１６内の燃料電池セル４００の下端部へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７０７Ａ、７０７Ｂを通って流れ込んだ空気（発電用空気）は、燃料電池セル４００の外側を通って各燃料電池セル４００の下方（軸方向一端）から上方（軸方向他端）へと流れる。各燃料電池セル４００の上方に至った空気は、各燃料電池セル４００の燃料ガス流路４２０を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。

燃料電池セルスタック４の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セル４００の燃料ガス流路４２０を通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４００の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７０Ａの燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７０６が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴７０６から燃焼部１８に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セル４００は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、燃料電池セル４００の近傍へと流れ込む空気も、空気流路管７６、空気流路外壁７０Ａ、７０Ｂを通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。なお、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、上述したように排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口１１（流出口）から外部へと排出される。

次に、図６に加えて、図７乃至図１０を用いて、本実施の形態に係る燃料電池１の拡散防止壁８Ａ、８Ｂ及び電極部材９Ａ、９Ｂについて詳細に説明する。図７は、図６の燃料電池をＢ方向からみた要部拡大図であり、図８は、図７の燃料電池をＩ−Ｉ面で切って上
面から見た上面図であり、図９は、本実施の形態に係る燃料電池の拡散防止壁８Ａを示す図であり、図１０は、同燃料電池の電極部材９Ａを示す図である。

図６に示すように、燃料電池セルスタック４の長手方向の一対の側面には、それぞれ拡散防止壁８Ａ、８Ｂが配置されている。これら２つの側面と拡散防止壁８Ａ、８Ｂとの間には、電極部材９Ａ、９Ｂが配置されている。拡散防止壁８Ａ、電極部材９Ａと、拡散防止壁８Ｂ、電極部材９Ｂとは、互いに左右対称に構成、配置されている点を除けば同一構造である。以下は、拡散防止壁８Ａ及び電極部材９Ａについて具体的に説明するが、拡散防止壁８Ｂ、電極部材９Ｂについてもその構成及び効果は同様である。

拡散防止壁８Ａは、下面８０と、側面８２と、上面８４とを有し、例えばステンレスにより一体形成されている。拡散防止壁８Ａは、上面８４の開口８４０に配管６Ａを通し、下面８０のネジ穴８００を仕切り板１５に合わせてネジ止めすることで、仕切り板１５に立設して取り付けられている（図６、図９参照）。

拡散防止壁８Ａの側面８２には、平坦面を有する平坦部８２０と、平坦部８２０の平坦面に対して垂直方向であって燃料電池セルスタック４から離間する方向に突設する突設部８２２とが形成されている。拡散防止壁８Ａの平坦部８２０は、燃料電池セルスタック４の長手方向の側面４Ａに対して、通電が生じない所定の間隔Ｌ１をあけて対向して配置される。一方、拡散防止壁８Ａの突設部８２２は、側面４Ａに対して、間隔Ｌ１より大きな間隔Ｌ２をあけて対向して配置される。突設部８２２と側面４Ａとの間の空間により、電極配置空間１０が形成される。電極配置空間１０の下端には、開口方向が燃料電池セルスタック４の軸方向（本実施形態においては鉛直方向）となるように隙間１０Ａ（開口）が形成されている（図７乃至図９参照）。

電極部材９Ａは、接続端子９０Ａ、９０Ｂ、本体部９２、折曲部９４及び円筒部９６を有し、例えば、導電性材料により一体形成されている。電極部材９Ａの接続端子９０Ａ、９０Ｂは、燃料電池セルスタック４の端に位置する燃料電池セル４００の上側端及び下側端に配置された外部端子４６とそれぞれ接続している。電極部材９Ａの本体部９２は、電極配置空間１０内に配置されるとともに、燃料電池セル４００の軸方向と同一方向で下方に延伸して電極配置空間１０の下端の隙間１０Ａを挿通している。隙間１０Ａを挿通した電極部材９Ａは、本体部９２から垂直方向に折れ曲がる折曲部９４と折曲部９４から下方に延伸する円筒部９６とを介して、外部の例えばインバータ等の電力変換装置に接続される。これにより、燃料電池セルスタック４で発電した電力を、外部に取り出すことができる。なお、電極部材９Ａの円筒部９６は、例えばセラミック材料からなる絶縁部９８で覆われており、取付部材９９を介して仕切り板１５に取り付けられている（図７及び図１０参照）。

本実施の形態においては、拡散防止壁８Ａの側面８２（とりわけ平坦部８２０）により、燃料電池セルスタック４の側面４Ａを覆うことができ、外壁７８Ａだけで燃料電池セルスタック４の長手方向側面を覆う場合に比べて、発電室１６の閉塞性を格段に高めることができる。これにより、発電室１６内に供給された空気が、各燃料電池セル４００の下方から上方へと流れる際に、燃料電池セルスタック４の長手方向に拡散してしまうことを抑制でき、燃料電池セルスタック４に供給される空気の濃度が低下してしまうことを抑制できる。これにより、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

また、拡散防止壁８Ａによる上記拡散防止効果をより確実に得るために、拡散防止壁８Ａの平坦部８２０を燃料電池セルスタック４の側面４Ａにより近接させて配置したとしても、電極部材９Ａの本体部９２が電極配置空間１０に配置されているので、電極部材９Ａの本体部９２と、拡散防止壁８Ａの突設部８２２との距離を十分に保つことができる。従って、電極部材９Ａに流れる電流が空気を介して拡散防止壁８Ａへ通電し、漏電が生じることを防止できる。これにより、燃料電池の発電効率の低下を抑制し、また燃料電池セルスタック４が放電により劣化ないし破損してしまうことを防止できる。

また、発電室１６内に供給された空気は、燃料電池セルスタック４の下端から上端に向かう方向に流れるにつれて拡散していくが、電極部材９Ａを電極配置空間の外部に取り出すための隙間１０Ａが、電極配置空間１０の下端に設けられているので、隙間１０Ａを電極配置空間１０の上端に設ける場合に比べて、電極配置空間１０の外へ空気が流れ出しにくい。しかも、隙間１０Ａは、開口方向が燃料電池セルスタック４の軸方向と略同一であるので、矢印１Ｃのように、燃料電池セルスタック４の下端に下端から上端に向かって供給された空気が逆向きに折り返して上端から下端に向かって流れない限り、隙間１０Ａから空気が流れ出ることはない。すなわち、隙間１０Ａの位置（燃料電池セルスタック４の下端）に加えて、隙間１０Ａの開口方向（燃料電池セルスタック４の軸方向）によっても、電極配置空間１０の外へ空気が流れ出しにくくなっている。これにより、燃料電池セルスタック４に供給される空気が流れ出て濃度が低下し、発電効率が低下してしまうことを抑制できる。

また、電極部材９Ａは、比較的低温の燃料電池セルスタック４の側面４Ａの端部と、同じく比較的低温の拡散防止壁８Ａの突設部８２２との間に配置されるので、双方から受ける熱量をより小さくすることができ、電極部材９Ａが過度に加熱されて酸化してしまうことを抑制できる。

以上本発明の各実施形態を示したが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能であることはいうまでもない。

例えば、拡散防止壁は、燃料電池セルスタック４の長手方向側面だけではなく、短手方向側面にも設け、燃料電池セルスタック４の周囲全体を取り囲むようにしてもよい。また例えば、電極部材９Ａ（９Ｂ）の本体部９２をセラミック等でコーティングしたり、突設部８２２と電極部材９Ａの本体部９２との間にセラミック材料を配置したりする等して、電極部材９Ａ（９Ｂ）から拡散防止壁８Ａ（８Ｂ）の漏電をより確実に防止するようにしてもよい。また、上記実施の形態においては、各燃料電池セル４００の軸方向が、鉛直方向と一致する縦置き型の燃料電池１を例として説明したが、発明はこれに限られるものではなく、例えば、各燃料電池セルの軸方向が、水平方向と一致する横置き型の燃料電池においても適用可能である。

１……燃料電池、２……ベース部材、３……ガスタンク、４……燃料電池セルスタック、４Ａ……側面、５……改質器、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ……配管、７……ケーシング、７Ａ……空気供給管、８Ａ、８Ｂ……拡散防止壁、９Ａ、９Ｂ……電極部材、１０……電極配置空間、１０Ａ……隙間、１１……排気口、１５……仕切り板、１５Ａ……支持部材、１５Ｂ……隙間、１６……発電室、１７……排出ガス室、１８……燃焼部、４０……燃料電池セルモジュール、４０Ａ……上支持板、４０Ｂ……下支持板、４２Ａ……貫通穴、４４……内側電極層、４４……集電体、４４Ａ……燃料極用接続部、４４Ｂ……空気極用接続部、４６……外部端子、５２……燃料ガス流路、６０……燃料供給孔、７０Ａ、７０Ｂ……空気流路外壁、７２……空気分配室、７４……空気集約室、７６……空気流路管、７８Ａ、７８Ｂ……外壁、７９……上壁、８０……下面、８２……側面、８４……上面、９０Ａ……接続端子、９０Ｂ……下支持板、９２……本体部、９４……折曲部、９６……円筒部、９８……絶縁部、９９……取付部材、４００……燃料電池セル、４００Ａ…… 燃料電池セル本体、４００Ｂ…… 内側電極端子、４２０……燃料ガス流路、４４０……内側電極層、４６０……外側電極層、４８０……電解質層、４９０……シール材、７００Ａ、７００Ｂ……第一室、７０２Ａ、７０２Ｂ……第二室、７０４Ａ、７０４Ｂ……第三室、７０６……点火装置挿入穴、８００……ネジ穴、８２０……平坦部、８２２……突設部、８４０……開口

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池において、
内側を軸方向の一端から他端に向かって流れる燃料ガスと外側を軸方向の一端から他端に向かって流れる酸化剤ガスとにより作動する燃料電池セルが複数配列された燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックの少なくとも一つの側面を覆う拡散防止壁と、
前記燃料電池セルスタック及び前記拡散防止壁を収容するケーシングと、
前記燃料電池セルスタックの端に位置する燃料電池セルと電気的に接続して該燃料電池セルスタックから電力を取りだすための電極部材と、を備え、
前記電極部材は、前記軸方向と同一方向に延在する本体部を有し、
前記拡散防止壁は、該拡散防止壁の一部分に、前記燃料電池セルスタックから離間する方向に突設した突設部を有し、
前記電極部材の前記本体部は、前記突設部と前記燃料電池セルスタックの側面との間に形成される電極配置空間に配置されていることを特徴とする燃料電池。
前記電極配置空間は、前記電極部材を該電極配置空間の外部に取り出すための開口を、前記軸方向の一端寄りに有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記開口の開口方向は、前記軸方向と略同一であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記電極部材は、前記燃料電池セルスタックの側面の端部寄りに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。