JP5451423B2

JP5451423B2 - 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

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Publication number: JP5451423B2
Application number: JP2010015430A
Authority: JP
Inventors: 健児島津
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-01-27
Also published as: JP2011154874A

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタック装置、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（空気等）とを用いて６００℃〜１０００℃の高温下で発電する燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して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反応ガスを供給するマニホールドに固定してなる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。）。

このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの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、燃料電池セルの温度を上昇させることにより、燃料電池セルの発電を効率よく行なうことができる。

また、一対の集電片である外側電極層側集電片とインターコネクタ側集電片とを備え、その両端部が接続部により接続されてなる集電部材において、第２反応ガスが外側電極層とインターコネクタとの間を通過しやすくなることを目的として、集電部材の接続部を外側電極層よりも外側に形成してなるセルスタック装置（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。

特開２００７−５９３７７号公報特開２００８−１３５１９５号公報

しかしながら、上述した集電部材においては、集電部材の内部を流れる第２反応ガスがセルスタックの外側に流れ出ることで、外側電極層に十分な量の第２反応ガスを供給できない場合があり、セルスタック装置の発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明の目的は、集電部材の内部を流れた第２反応ガスがセルスタックの外側に流れることを抑制し、外側電極層に十分な量の第２反応ガスを供給することにより、発電効率の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。

本発明のセルスタック装置は、第１反応ガスと第２反応ガスとで発電を行なう柱状の燃料電池セルを立設し、集電部材を介して複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置であって、前記燃料電池セルは、前記第１反応ガスを下端から上端へ流すための第１反応ガス流路を内部に備える導電性支持体と、該導電性支持体上に配置され、内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる積層体と、前記外側電極層と対向するように前記導電性支持体上に配置されたインターコネクタとを備え、隣り合う前記燃料電池セル間が前記第２反応ガスを下方から上方に流すための第２反応ガス流路として構成されており、前記集電部材は、隣接する一方の前記燃料電池セルの外側電極層と他方の前記燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された前記燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、該一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、前記燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、前記接続部と接続されており、前記集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セル側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備え、前記側板部の前記燃料電池セルと対向する面が、絶縁層により覆われてい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、集電部材が、隣接する一方の燃料電池セルの外側電極層と隣接する他方の燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、接続部と接続されており、当該集電部材と外側電極層にて接続されている燃料電池セル側に、燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備えることから、第２反応ガス流路を流れる第２反応ガスが、セルスタックの外側に流れ出ることを抑制することができる。それにより、外側電極層に十分な量の第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。さらに、側板部の燃料電池セルと対向する面が、絶縁層により覆われていることから、側板部が燃料電池セルに接触した場合においても、電気的に短絡することを防止することができる。それにより、長期信頼性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、前記側板部が、前記集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セルの前記インターコネクタ側にまで延び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、側板部が、集電部材と外側電極層にて接続されている燃料電池セルのインターコネクタ側にまで延びていることから、さらに外側電極層に第２反応ガスを供給することができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記側板部が、前記集電部材と前記インターコネクタにて接続されている前記燃料電池セル側にも、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延び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、側板部が、集電部材とインターコネクタにて接続されている燃料電池セル側にも、燃料電池セルの配列方向に沿って延びていることから、さらに外側電極層に第２反応ガスを供給することができる。

また、本発明のセルスタック装置は、発電に使用されなかった前記第１反応ガスと発電に使用されなかった前記第２反応ガスとを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させる構成であるとともに、前記集電部材の上端が前記燃料電池セルの上端よりも高い位置に配置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、発電に使用されなかった第１反応ガスと発電に使用されなかった第２反応ガスとを燃料電池セルの上端部側で燃焼させるとともに、集電部材の上端が燃料電池セルの上端よりも高い位置に配置されていることから、第２反応ガスを燃料電池セルの上端部側に効率よく供給することができ、発電に使用されなかった第１反応ガスと発電に使用されなかった第２反応ガスとを燃料電池セルの上端部側において効率よく燃焼させることができる。そのため、低出力で発電している場合等の第２反応ガスの供給量が少ない場合においても、失火が生じることを抑制することができる。

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。

本発明の燃料電池装置は、上記の燃料モジュールと、燃料電池モジュール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、集電部材が、隣接する一方の燃料電池セルの外側電極層と隣接する他方の燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、接続部と接続されており、当該集電部材と外側電極層にて接続されている燃料電池セル側に、燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備えることから、第２反応ガス流路を流れる第２反応ガスが、セルスタックの外側に流れ出ることを抑制することができる。それにより、外側電極層に十分な量の第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。さらに、側板部の燃料電池セルと対向する面が、絶縁層により覆われていることから、側板部が燃料電池セルに接触した場合においても、電気的に短絡することを防止することができる。それにより、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。

あわせて、このセルスタック装置を収納容器内に収納することで、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、さらにこの燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納することで、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の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。図１に示す集電部材の斜視図である。図１に示す燃料電池セルと集電部材との接続を概略的に示す側面図である。本発明のセルスタック装置を構成するセルスタックの他の一例を示し、（ａ）は、燃料電池セルと集電部材との接続を概略的に示す平面図、（ｂ）は、燃料電池セルと集電部材との接続を概略的に示す側面図である。本発明の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斜視図である。図５に示す集電部材を備えてなるセルスタックのさらに他の一例を示し、（ａ）は、燃料電池セルと集電部材との接続を概略的に示す平面図、（ｂ）は、燃料電池セルと集電部材との接続を概略的に示す側面図である。本発明の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。

図１は、本発明のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的
に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１を示す平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。図２は、図１に示す集電部材４の斜視図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

セルスタック装置１は、内部に所定の間隔を空けて第１反応ガス流路９を複数有しており、一対の対向する平坦面をもつ全体的に見て楕円柱状の導電性支持体１０の一方の平坦面上に内側電極層１１と、固体電解質層１２と、外側電極層１３とをこの順に積層してなるとともに、他方の平坦面のうち外側電極層１３および固体電解質層１２が形成されていない部位にインターコネクタ１４を積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３を、集電部材４を介して立設させた状態で配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２を備えている。

集電部材４は、詳細を後述するが、一枚の板部材に所定の間隔で幅方向にスリットが複数設けられ、スリットを挟んで上下方向に隣接する部位が集電片４ａ、４ｂとなる。集電部材４の長手方向に形成されたそれぞれの集電片４ａ、４ｂは、隣接する一方側の燃料電池セル３および隣接する他方側の燃料電池セル３と接合されるように、交互に配置されている。そして一対の集電片４ａ、４ｂの両端部が接続部４ｃにより接続され、これらを一組として、長手方向に複数組が形成されており、集電部材４を構成している。それにより隣接する一方の燃料電池セル３側の集電片４ａと隣接する他方の燃料電池セル３側の集電片４ｂとの間が、第２の反応ガスが流れる第２反応ガス流路８となる。

また、インターコネクタ１４の外面にはＰ型半導体層１５を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層１５を介してインターコネクタ１４に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。このＰ型半導体層１５は、外側電極層１３の外面に設けることもできる。

そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端部が、第１反応ガス流路９を介して燃料電池セル３に第１反応ガスを供給するためのマニホールド７にガラスシール材（図示せず）等の接合材により固定されている。

なお、図１に示すセルスタック装置１においては、燃料電池セル３として、第１反応ガス流路９内に燃料ガス（水素含有ガス）を流すとともに、内側電極層１１としての燃料極層、外側電極層１３としての空気極層を設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル３を示している。マニホールド７より第１反応ガスとして燃料ガスを供給し、隣り合う燃料電池セル３間に第２反応ガスとして酸素含有ガス（空気等）を供給することで、燃料電池セル３の発電が行なわれる。以下の説明において第１反応ガスとして燃料ガスを、第２反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合を例示して説明する。

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。）の両端から端部集電部材（図示せず）を介してセルスタック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弾性変形可能な導電部材５を具備している。ここで、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、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き出すための電流引出部６が設けられている。なお、端部集電部材としては、集電部材４と同様の構成のものを用いてもよいし、異なる構成のものを用いてもよい。

このようなセルスタック装置１においては、燃料電池セル３の上端部側にて、第１反応ガス流路（燃料ガス流路）９より排出され、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスと、第２反応ガス流路８（酸素含有ガス流路）より排出され、燃料電池セル３の発電に使用されなかった酸素含有ガスとを燃焼させる構成とすることにより、燃料電池セル
３の温度を上昇させることまたは高温に維持することができ、燃料電池セル３（セルスタック装置１）の発電を効率よく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３を構成する各部材について説明する。

燃料極層（内側電極層）１１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ＹやＹｂ等の希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

燃料極層１１において、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯ：希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（例えば、ＮｉＯ：ＹＳＺ）が３５：６５〜６５：３５の範囲にあるのが好ましい。さらに、この燃料極層１１の気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。

固体電解質層１２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。

さらに、固体電解質層１２は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。

空気極層（外側電極層）１３は、導電性セラミックス（例えば、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物）から形成することができ、ガス透過性を有する必要があることから、気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、空気極層１３の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。

インターコネクタ１４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１４は導電性支持体１０に形成された複数の第１反応ガス流路（燃料ガス流路）９を流通する燃料ガス、および導電性支持体１０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。

また、インターコネクタ１４の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗の増大を抑制という理由から、１０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがある。

導電性支持体１０としては、燃料ガスを燃料極層１１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１４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、導電性支持体１０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。

なお、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層１１または固体電解質層１２との同時焼成により導電性支持体１０を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類
酸化物とから導電性支持体１０を形成することが好ましい。また、導電性支持体１０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５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

また、導電性支持体１０の平坦面ｎの長さ（導電性支持体１０の幅方向の高さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、導電性支持体１０の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。

Ｐ型半導体層１５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１４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１５の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

なお、図示はしていないが、固体電解質層１２と空気極層１３との間に、固体電解質層１２と空気極層１３との接合を強固なものとするとともに、固体電解質層１２の成分と空気極層１３の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素（ＳｍやＧｄ等）とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。

さらに、図示していないが、インターコネクタ１４と導電性支持体１０との間に、インターコネクタ１４と導電性支持体１０との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層１１と類似した組成の密着層を設けることもできる。

ここで、本発明のセルスタック装置を構成する集電部材４について説明する。

図２は、図１に示すセルスタック装置１を構成する集電部材４の斜視図であり、図３は、燃料電池セル３と集電部材４との接続を概略的に示す側面図である。

本発明のセルスタック装置１を構成する集電部材４は、燃料電池セル３の幅方向（以下、セル幅方向と略す場合がある。）に沿って設けられた一対の板状の集電片４ａ、４ｂと、一対の集電片４ａ、４ｂの両端部を接続する接続部４ｃとを１組として、集電部材４の長手方向に連続して複数組が設けられている。また、接続部４ｃには、接続部４ｃからセル幅方向に沿って、燃料電池セル３の外側まで延びる延伸部４ｄが接続され、さらに延伸部４ｄと接続され、空気極層１３と接続されている燃料電池セル３側に、セル配列方向に沿って延びている側板部４ｅを備えている。また一対の板状の集電片４ａ、４ｂと、一対の集電片４ａ、４ｂの両端部を接続する接続部４ｃとを１組として複数組備えるユニットを、集電部材４の長手方向に連結するための導電性連結部４ｆを備えている。なお、このユニットには後述する延伸部４ｃと側板部４ｅが含まれる。

集電片４ａ、４ｂは、隣接する一方の燃料電池セル３の空気極層１３と接続される集電片４ａと、隣接する他方の燃料電池セル３のインターコネクタ１４と接続される集電片４ｂとからなり、集電部材４の長手方向に沿って複数設けられている。図２に示すように、集電片４ａ、４ｂの両端部は接続部４ｃに向けて屈曲しており、接続部４ｃにて複数の集電片４ａ、４ｂが接続されている。

接続部４ｃには、セル幅方向に沿って燃料電池セル３の外側まで延びる延伸部４ｄの一
端が接続されている。延伸部４ｄは、図１（ｂ）に示すように、延伸部４ｄの他端が燃料電池セル３の外側に配置されている。そして、空気極層１３と接続されている燃料電池セル３側にセル配列方向に沿って延びている側板部４ｅの一端が、延伸部４ｄの他端に接続されている。本発明のセルスタック装置１においては、燃料電池セルの外側から０．５〜１ｃｍ程度出るように延伸部４ｄを設けることが好ましい。

なお、図２に示す集電部材４は、接続部４ｃ、延伸部４ｄおよび側板部４ｅをそれぞれ設けた例を示したが、側板部４ｅが集電部材４と接続されていれば、この形状に限定されるものではない。例えば、接続部４ｃをセル幅方向に延ばして側板部４ｅと接続してもよく、延伸部４ｄを集電部材４と空気極層１３にて接続されている燃料電池セル３側に、折り曲げて側板部４ｅを作製してもよい。

そして、図２に示すように、これらを１ユニットとし、導電性連結片４ｆを介して長手方向に複数のユニットを連結することにより集電部材４が構成されている。なお、図２においては、ユニット数が４つのものを示したが、これに限定されるものではない。ユニット数は、燃料電池セル３の大きさ（長手方向の長さ）、発電効率および集電部材４の剛性等により適宜設定すればよい。

集電部材４は、燃料電池セル３により発電した電流を流すために導電性が必要であり、セルスタック装置１は６００〜９００℃の高温下で作動することから、耐熱性も必要である。それゆえ、合金１００質量部に対して１０〜３０質量部のＣｒを含有する合金を用いることが好ましく、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金等を用いることができる。

そして、Ｃｒを含有する合金からなる一枚の矩形状の板部材（矩形板）の中央部に、燃料電池セル３の長手方向に所定の間隔を空けて複数のスリットを設け、スリット間の板部材を隣り合う燃料電池セル３と接続するように交互に突出させることで集電片４ａ、４ｂを形成し、矩形板の両側部（スリットが形成されていない部位）を切り欠き等の加工をすることにより、所定の形状を形成し、切り欠かれた矩形板の両側部を折り曲げることにより、側板部４ｅを形成し、集電部材４を作製することができる。この場合、一枚の板部材を打ち抜きプレス加工により集電部材４を作製することができるため、容易に集電部材４を作製することができる。

なお、一枚の矩形板により作製した例を示したが、それぞれの部材を別途作製し、溶接等により接合して集電部材４を作製してもよい。例えば、一対の集電片４ａ、４ｂと、一対の集電片４ａ、４ｂの両端部を接続する接続部４ｃとを１組として、複数組を導電性連結片４ｆにより連結してなる集電部（図示せず）を作製し、折り曲げ加工した板部材により延伸部４ｄおよび側板部４ｅを作製し、これを集電部に溶接にて接合して集電部材４を作製してもよい。また、スリットの形成等は、プレス加工等の適宜知られた方法により作製すればよい。

ここで、セルスタック装置を長期間発電させると、Ｃｒを含有する合金からＣｒが燃料電池セル３の空気極層１３や空気極層１３と固体電解質層１２との界面に拡散し、電気的な抵抗が増大し、燃料電池セルの発電性能が低下するおそれがある。そのため、集電部材４の表面の一部、好ましくは全体を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Ｃｒ拡散抑制層により覆うことが好ましい。それにより、集電部材４からＣｒが燃料電池セル３の空気極層１３や空気極層１３と固体電解質層１２との界面に拡散することを抑制でき、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。

本発明のセルスタック装置１は、燃料電池セル３の内部に設けられた第１反応ガス流路
（燃料ガス流路）９に燃料ガスを流し、燃料電池セル３間に設けられた第２反応ガス流路（酸素含有ガス流路）８に酸素含有ガスを流すことで発電を行なう。

従来のセルスタック装置では、第２反応ガス流路８から酸素含有ガスがセルスタック２の外側に流れ出てしまい、空気極層１３に供給される酸素含有ガスの量が未だに十分ではなく、セルスタック装置の発電効率が低下してしまうおそれがあった。

本発明のセルスタック装置１を構成する集電部材４は、集電部材４と空気極層１３とで接続される燃料電池セル３側に向けて、セル配列方向に沿って側板部４ｅが延びている（配置されている）ことから、セルスタック２の外側に酸素含有ガスが流れることを抑制することができる。それにより、空気極層（外側電極層）１３に十分な量の酸素含有ガスを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。

図３に示すように、燃料電池セル３の一方側主面１５ａにインターコネクタ１４が燃料電池セルの長手方向の全域にわたって設けられており、他方側主面１５ｂに空気極層１３が燃料電池セル３の上端部および下端部を除き設けられている。燃料電池セル３は、燃料電池セル３の内側電極層（燃料極層）（図示せず）、固体電解質層および外側電極層（空気極層）１３がこの順に積層されている部位が発電部となり発電を行なう。なお、図３においては、Ｐ型半導体層は図示していない。また、燃料ガスは実線の矢印、酸素含有ガスは破線の矢印で示している。

そのため、集電部材４の長手方向の長さは、空気極層の長手方向の長さと同等かもしくはそれ以上の長さになることが好ましく、それにより、効率よく集電することができる。

集電片４ａ、４ｂのセル幅方向に沿った長さは、空気極層１３またはインターコネクタ１４と接触する部位の長さが空気極層１３またはインターコネクタ１４の幅方向の長さと同等かもしくはそれ以上の長さとすることが好ましい。それにより、効率よく集電することができる。なお、集電片４ａ、４ｂの幅方向の長さが、長くなりすぎると第２反応ガス流路８がセル幅方向に広がりすぎるため、十分な量の酸素含有ガスを供給することができなくなるおそれがあり、空気極層１３に十分な量の酸素含有ガスを供給できるように、適宜設定して設ける必要がある。

ところで、燃料電池セル３は導電体のため、集電部材４の側板部４ｅが燃料電池セル３と接触した場合、セルスタック装置１が電気的に短絡するおそれがあり、セルスタック装置１の長期信頼性が低下するおそれがある。

そのため、集電部材４の側板部４ｅの燃料電池セル３と対向する面を、絶縁層により覆われていることが好ましい。絶縁性層は、アルミナ、酸化亜鉛等の公知の絶縁性材料を用いて作製することができる。さらに、側板部４ｅの全表面が、絶縁層により覆われることがより好ましい。それにより、さらにセルスタック装置１が電気的に短絡することを防止することができる。また、側板部４ｅを絶縁体により形成し、延伸部４ｄと接続してもよい。なお、延伸部４ｄを絶縁層により覆う構成としてもよい。それにより、セルスタック装置１の長期信頼性を向上させることができる。

なお、前述したＣｒ拡散抑制コーティングは、絶縁性のコーティングを施す場合に、絶縁性のコーティングを施した部位に設けなくてもよい。絶縁性のコーティングにおいてもＣｒの拡散を抑制することができるためである。

また、本発明の集電部材４は、燃料電池セル３の外部に側板部４ｅが設けられているこ
とから、側板部４ｅより効率よく放熱することができ、集電部材４が高温となることを抑制することができる。それにより、集電部材４が高温により劣化することを抑制することができる。

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、燃料電池セル３と集電部材１６との接続を概略的に示す平面図、（ｂ）は、燃料電池セル３と集電部材１６との接続を概略的に示す側面図である。

図４に示す集電部材１６は、側板部１６ｅが、集電部材１６と外側電極層１３にて接続される燃料電池セル３のインターコネクタ１４まで配置されている点と、接続部１６ｃが燃料電池セル３の外側まで延びている点とが集電部材４と異なり、それ以外の構成は集電部材４と同様である。

図４（ａ）に示すように、セルスタック２が集電部材１６を介して燃料電池セル３を複数個配列してなるため、側板部１６ｅがセル配列方向に沿って連なっている。そのため、酸素含有ガスがセルスタック２の外部に流れ出ることを抑制することができ、空気極層１３に酸素含有ガスをさらに供給することができ、セルスタック装置１の発電効率をさらに向上させることができる。

また、酸素含有ガスがセルスタック２の外部に流れ出ることを抑制することができることから、十分な量の発電に使用されなかった酸素含有ガスを燃料電池セル３の上端部側（燃焼部）に供給することができる。

さらに、側板部１６ｅが、集電部材１６と外側電極層１３にて接続される燃料電池セル３のインターコネクタ１４まで配置されていることから、燃料電池セル３の側方またはインターコネクタ１４側を流れる酸素含有ガスが、セルスタック２の外側に流れ出ることを抑制し、空気極層１３や燃焼部に供給することができる。

集電部材１６の長手方向における側板部１６ｅの長さは、集電部材１６を構成するユニットの長さと同等かそれ以上の長さが好ましい。ユニットと同等の長さとすることで、集電部材１６を容易に作製することができる。また、集電部材１６の長手方向における側板部１６ｅの長さを集電部材１６の長手方向の長さと同等としてもよい。それにより、酸素含有ガスがセルスタックの外部に流れ出ることをさらに抑制することができる。

側板部１６ｅのセル長手方向の長さは、図４（ａ）に示すように、一方の集電部材１６の接続部１６ｃから燃料電池セル３を介して隣り合う他方の集電部材１６の接続部１６ｃにかけて設けられることが好ましいことから、セルスタック２に応じて適宜設定すればよい。

ところで、隣り合う集電部材１６同士が接触すると電気的に短絡が生じ、集電部材１６が破損するおそれがあるが、前述の絶縁性のコーティングを施すことにより、電気的な短絡を抑制することができる。

図５は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示し、セルスタック装置１を構成する集電部材１７の斜視図である。図６は、図５に示す集電部材１７を備えてなるセルスタック装置１を示し、（ａ）は、燃料電池セル３と集電部材１７との接続を概略的に示す平面図、（ｂ）は、燃料電池セル３と集電部材１７との接続を概略的に示す側面図である。

図５に示す集電部材１７は、一端が接続部１７ｃと接続された延伸部１７ｄの他端と接
続され、セル配列方向に沿って隣り合うそれぞれの燃料電池セル３側に配置された側板部１７ｅを備えている。また、集電部材１７の最も高い位置に位置する接続部１７ｃ、延伸部１７ｄおよび側板部１７ｅが燃料電池セル３の長手方向に延びて設けられている。その他の点においては、集電部材４と同様の構成である。

集電部材１７は、隣り合うそれぞれの燃料電池セル３の外側に側板部１７ｅが配置されていることから、酸素含有ガスがセルスタックの外側に流れ出ることを抑制することができ、空気極層１３や燃焼部に十分な量の酸素含有ガスを供給することができる。

側板部１７ｅのセル配列方向の長さは、酸素含有ガスがセルスタック２の外部に流れ出ることを抑制する点で長い方が好ましいが、隣り合う集電部材１７の側板部１７ｅ同士が重ならないように設けることで、酸素含有ガスがセルスタック２の外部に流れることを抑制しつつ、集電部材１７のコストを低下させることができる。

なお、図６に示す集電部材１７は、延伸部１７ｄに集電部材１７に接合される燃料電池セル３のそれぞれの外側に側板部１７ｅを設けた例を示したが、側板部１７ｅを１枚の板部材から設け、側板部１７ｅの中央部と延伸部１７ｄとを接合して集電部材１７を作製してもよい。

集電部材１７は、延伸部１７ｄに接続された側板部１７ｅが互いにセル配列方向において、それぞれ配置されていることから、側板部のセル配列方向における長さ（図５においては、それぞれの側板部１７ｅの長さの和）が長くなった場合においても、集電部材４のハンドリング性が低下することを抑制することができる。つまり、側板部１７ｅのセル配列方向の中央部において、延伸部１７ｄと接続されているため、側板部１７ｅのセル配列方向の長さが長くなった場合においても、延伸部１７ｄとの接続部位からの長さを短くすることができる。それにより、集電部材１７のハンドリング性を向上させることができる。

また、側板部１７ｅを１枚の板部材から形成した場合においても、側板部１７ｅの中央部と延伸部１７ｄとが接続されていることから、集電部材１７のハンドリング性を向上させることができる。

ここで、本発明のセルスタック装置１は、発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させる構成である。電気の使用量の少ない夜間等では、セルスタック２に供給される燃料ガスおよび酸素含有ガスが少なくなるとともに、セルスタック２も低温となるため、失火が生じやすくなる。

本発明のセルスタック装置１を構成する集電部材１７は、最も高い位置に位置する接続部１７ｃ、延伸部１７ｄおよび側板部１７ｅが燃料電池セル３の長手方向に延びて設けられていることから、第２反応ガス流路８を燃料電池セル３の上端部付近まで形成することができる。それにより、第２反応ガス流路を流れる発電に使用されなかった酸素含有ガスを燃料電池セル３の上端部側に効率よく供給することができ、セルスタック２に供給される酸素含有ガスの量が少ない場合においても、失火が生じることを抑制することができる。

図７は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を示し、セルスタック装置１を構成する集電部材１８の斜視図である。集電部材１８は上述した集電部材４とは構成が異なるものである。

集電部材１８は、隣接する一方の燃料電池セル３と接続される複数の集電片１８ａと、
隣接する他方の燃料電池セル３と接続される複数の集電片１８ｂと、集電片１８ａの一端と集電片１８ｂの他端とを接続するための導電性接続片１８ｇと、他の集電片１８ａの他端と集電片１８ｂの一端とを接続するための導電性接続片１８ｈとをユニットとして、燃料電池セル３の長手方向に連続して形成されている。そして、集電部材１８は、集電片１８ａ、１８ｂおよび導電性接続片１８ｇ、１８ｈとの接続部１８ｃからセル幅方向に沿って、燃料電池セル３の外側まで延びる延伸部１８ｄが設けられ、延伸部１８ｄと接続され、集電部材１８と空気極層１３にて接続される燃料電池セル３の外側に配置された側板部１８ｅを備えている。

このような集電部材１８においても、空気極層１３に十分な量の酸素含有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、一枚の板部材を側板部１８ｅとして設け、側板部１８ｅと接続部１８ｃとを延伸部１８ｄにより接続していることから、集電部材１８を容易に作製することができる。それにより、集電部材１８の製造コストを低下させることができる。

なお、図７に示す集電部材１８は、側板部１８ｅが一枚の板部材からなり、複数の延伸部１８ｄを設けた例を示したが、複数の板部材により側板部１８ｅを形成してもよい。また、延伸部１８ｄを複数設けずに、１つのみから集電部材１８を形成してもよい。

集電部材１８は、上述した他の集電部材と同様の方法にて作製することができる。例えば、一枚の板部材（矩形板）に所定の切り欠きが得られるようにプレス加工し、切り欠かれた矩形板を適宜折り曲げて作製することができる。

図８は、本発明のセルスタック装置１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール２５の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器２６の内部に、図１に示したセルスタック装置１を収納して構成されている。

なお、燃料電池セル３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２７がセルスタック２の上方に配置されている。そして、改質器２７で生成された燃料ガスは、ガス流通管２８を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７を介して燃料電池セル３の内部に設けられた第１反応ガス流路９に供給される。

なお、図８においては、収納容器２６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１および改質器２７を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示した燃料電池モジュール２５においては、セルスタック装置１を、収納容器２６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１は、改質器２７を含むものとしても良い。

また収納容器２６の内部に設けられた第２反応ガス導入部材２９は、図８においてはマニホールド７に並置されたセルスタック２の間に配置されるとともに、第２反応ガス（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３の側方を下端から上端に向けて流れるように、燃料電池セル３の下端に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル３の第１反応ガス流路９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３の上端部側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または高温に維持することができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３の燃料ガス流路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３（セルスタック２）の上方に配置された改質器２７を効率よく温めることができる。それにより、改質器２７で効率よく改質反応を行うことができる。

さらに、本発明の燃料電池モジュール２５においても、長期信頼性が向上した燃料電池セル３を用いて構成されるセルスタック装置１を収納容器２６内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール２５とすることができる。

ここで、セルスタック装置１に失火が生じると、燃料電池モジュール２５の温度が低下するとともに、改質器２７を十分に温めることができず、生成度の低い燃料ガスが燃料電池セル３に供給され、燃料電池セル３が劣化し、燃料電池モジュール２５の長期信頼性が低下してしまうおそれがあった。

本発明の燃料電池モジュール２５においては、失火を抑制できるセルスタック装置１を収納容器２６内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２５とすることができる。

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２５と、セルスタック装置１を作動させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置３０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３０は、支柱３１と外装板３２から構成される外装ケース内を仕切板３３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２５を収納するモジュール収納室３４とし、下方側を燃料電池モジュール２５を動作させるための補機類を収納する補機収納室３５として構成されている。なお、補機収納室３５に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板３３には、補機収納室３５の空気をモジュール収納室３４側に流すための空気流通口３６が設けられており、モジュール収納室３４を構成する外装板３２の一部に、モジュール収納室３４内の空気を排気するための排気口３７が設けられている。

このような燃料電池装置３０においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２５をモジュール収納室３４に収納して構成することにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置３０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、上述したセルスタック装置１においては、第１反応ガスとして燃料ガスを、第２反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合について例示したが、第１反応ガスとして酸素含有ガスを、第２反応ガスとして燃料ガスを用いる構成とすることもできる。この場合においては、内側電極層を空気極層１３とし、外側電極層を燃料極層１１とする構成の燃料電池セル３とし、第１反応ガス流路９に酸素含有ガスを供給し、第２反応ガス流路１９に燃料ガスを供給すればよい。またこの場合において、モジュール２０を構成する収納容器２１は適宜構成を変更すればよい。

１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４、１６、１７、１８：集電部材
４ａ、４ｂ、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ：集電片
４ｃ、１６ｃ、１７ｃ、１８ｃ：接続部
４ｄ、１７ｄ、１８ｄ：延伸部
４ｅ、１６ｅ、１７ｅ、１８ｅ：側板部
４ｆ、１６ｆ、１７ｆ：導電性連結部
８：第２反応ガス流路
９：第１反応ガス流路
１８ｇ、１８ｈ：導電性接続片
２５：燃料電池モジュール
３０：燃料電池装置

Claims

第１反応ガスと第２反応ガスとで発電を行なう柱状の燃料電池セルを立設し、集電部材を介して複数個配列してなるセルスタックを備えるセルスタック装置であって、
前記燃料電池セルは、前記第１反応ガスを下端から上端へ流すための第１反応ガス流路を内部に備える導電性支持体と、該導電性支持体上に配置され、内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる積層体と、前記外側電極層と対向するように前記導電性支持体上に配置されたインターコネクタとを備え、隣り合う前記燃料電池セル間が前記第２反応ガスを下方から上方に流すための第２反応ガス流路として構成されており、
前記集電部材は、隣接する一方の前記燃料電池セルの外側電極層と隣接する他方の前記燃料電池セルのインターコネクタとを電気的に接続するための、所定間隔を空けて配置された前記燃料電池セルの幅方向に沿う板状の一対の集電片と、該一対の集電片の端部同士を接続する接続部とを一組として、前記燃料電池セルの長手方向に連続して複数組が形成されているとともに、
前記接続部と接続されており、当該集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セル側に、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延びている側板部を備え、
前記側板部の前記燃料電池セルと対向する面が、絶縁層により覆われていることを特徴とするセルスタック装置。
前記側板部が、前記集電部材と前記外側電極層にて接続されている前記燃料電池セルの前記インターコネクタ側にまで延び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。
前記側板部が、前記集電部材と前記インターコネクタにて接続されている前記燃料電池セル側にも、前記燃料電池セルの配列方向に沿って延び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。
発電に使用されなかった前記第１反応ガスと発電に使用されなかった前記第２反応ガスとを前記燃料電池セルの上端部側で燃焼させる構成であるとともに、前記集電部材の上端が前記燃料電池セルの上端よりも高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセルスタック装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載のセルスタック装置を収納容器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５に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュール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。