JP6059038B2 - 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、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）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に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。）。

このような燃料電池モジュールにおいては、複数個の燃料電池セルを一列に配列してなるセルスタックを複数個備え、それぞれのセルスタックを電気的に直列に接続しているものの、セルスタックの１つに故障や異常を生じた場合に、所定の電圧を得ることができなくなる場合があるため、長期信頼性を向上することを目的として、各セルスタックの電流引出部同士を導電性の連結部材により連結し、電流引出部と連結部材との電気的接続を切り替える制御装置を備える燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００７−５９３７７号公報 特開２００９−２０５８０５号公報

上述の特許文献２に記載の燃料電池装置においては、電気的に直列に接続されたセルスタックの１つに故障や異常が生じた場合であっても、他のセルスタックと電気的に接続することで所定の電圧を得ることができ、長期信頼性が向上するものの、その制御が複雑となるおそれがあった。

それゆえ、本発明は、簡単な構成で長期間にわたって稼働することができ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を提供することを目的とする。

本発明のセルスタック装置は、複数個の燃料電池セルを一列に配列してなるセルスタックを複数有してなり、前記燃料電池セル間に、隣り合う前記セルスタックにまたがるよう
に集電部材が配置されており、それぞれの前記セルスタックにおける前記燃料電池セルが電気的に直列に接続されているとともに、隣り合う前記セルスタックにおける前記燃料電池セル同士が電気的に並列に接続されており、それぞれの前記セルスタックの間であって、前記セルスタックの間を上方に向けて流れる第２の反応ガスの流れを、前記セルスタックの間から、それぞれの前記燃料電池セルの間に流通するように変更するガス流通方向変更部材を備えていることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に上述のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする。

さらに、本発明の燃料電池装置は、外装ケース内に、上述の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置は、隣り合うセルスタックにまたがるように配置され、それ
ぞれのセルスタックにおける燃料電池セルが電気的に直列に接続されているとともに、隣り合うセルスタックにおける燃料電池セル同士が電気的に並列に接続されていることから、燃料電池セルの１つに不具合が生じたとしても、長期間にわたって稼働することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールおよび燃料電池装置は、上述のセルスタック装置を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および燃料電池装置とすることができる。

本実施形態のセルスタック装置の一例を一部省略して示す斜視図である。 本実施形態のセルスタック装置を構成する燃料電池セルの一例を示したものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は一部を破断して示す斜視図である。 本実施形態のセルスタック装置の他の一例の平面図である。 （ａ）は本実施形態のセルスタック装置の他の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）で示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す側面図である。 本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。 （ａ）は本実施形態のセルスタック装置のさらに他の一例を示す斜視図であり、（ｂ）はガス流通方向変更部材の他の一例を示す正面図である。 図６（ａ）に示すセルスタック装置を収納してなる本実施形態の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。 本実施形態のセルスタック装置のさらに他の一例を示す斜視図である。 図８に示すセルスタック装置を収納してなる本実施形態の燃料電池モジュールのさらに他の一例を示す断面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を示す本実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

図１は、本実施形態のセルスタック装置の一例を一部省略して示す斜視図である。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。

図１に示すセルスタック装置１においては、内部を第１の反応ガスが流通するガス流路（図示せず）を有する柱状の燃料電池セル２を立設させた状態で一列に配列し、集電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に接続されているとともに、燃料電池セル２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４に固定してなるセルスタック３を２つ備えている。なお、セルスタック３の両端部には、セルスタック３（燃料電池セル２）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、電気引出部を有する導電部材が配置されている（図示せず）。上述の各部材を備えることで、セルスタック装置１が構成される。

また、図１においては、燃料電池セル２として、内部を第１の反応ガス（燃料ガス）が長手方向に流通するガス流路を有する中空平板型で、ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル２を例示している。以降の説明の説明において、特に断りのない限り第１の反応ガスを燃料ガス（水素含有ガス）とし、燃料電池セル２の外側を流れる第２の反応ガスを酸素含有ガスとして説明する。

なお、以降の説明において、固体酸化物形の燃料電池セルを用いて説明するが、この場合において、燃料電池セルは中空平板型に限られるものではなく、例えば平板型や円筒型とすることもできる。

また、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２の発電で使用する燃料ガスを得るために、原燃料供給管７を介して供給される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５をセルスタック３の上方に配置している。なお、改質器５は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部とを備えている。そして、改質器５で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管７を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル２の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、セルスタック装置１の構成は、燃料電池セル２の種類や形状により、適宜変更することができ、例えばセルスタック装置１に改質器５を含むこともできる。

ちなみに、上記セルスタック装置１においては、燃料電池セル２のガス流路より排出される燃料ガス（余剰の燃料ガス）を燃料電池セル２の上端部側で燃焼させるように構成することにより燃料電池セル２の温度や改質器５の温度を上昇させることができる。それにより、セルスタック装置１の起動を早めることができるほか、改質器５においては効率よく改質反応を行なうことができる。

図２は図１に示すセルスタック装置１を構成する燃料電池セル２の一例を示したものであり、（ａ）はその横断面図、（ｂ）は一部を破断して示す斜視図である。なお、両図面において、燃料電池セル２の各構成を一部拡大して示している。以下、図２を用いて本実施形態のセルスタック装置１を構成する燃料電池セル２について説明する。

図２に示す燃料電池セル２は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をした多孔質の支持体８を備えている。支持体８の内部には、所定の間隔で複数のガス流路９が長手方向に形成されており、燃料電池セル２は、この支持体８上に各種の部材が設けられた構造を有している。すなわち、図２に示す燃料電池セル２は中空平板型となっている。

支持体８は、図２に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦面ｎの一方の表面（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層１０が設けられており、さらに、この燃料極層１０を覆うように、緻密質な固体電解質層１１が積層されている。また、固体電解質層１１の上には、中間層１２を介して、燃料極層１０と対面するように、多孔質な空気極層１３が積層されている。また、燃料極層１０および固体電解質層１１が積層されていない他方の平坦面ｎには、密着層１４を介してランタンクロマイト系のペロブスカイト型複合酸化物を含有するインターコネクタ１５が形成されている。

図２から明らかなように、燃料極層１０および固体電解質層１１は、両端の弧状面ｍを経由してインターコネクタ１５（密着層１４）の両サイドにまで延びており、支持体８の表面が外部に露出しないように構成されている。なお、図２においては、燃料極層１０が密着層１４の側面に、固体電解質層１１がインターコネクタ１５の側面に重なる例を示しているが、密着層１４やインターコネクタ１５は適宜その厚みを調整することができ、例えば、燃料極層１０および固体電解質層１１が密着層１４の側面に重なるように配置することもでき、また、燃料極層１０の一部がインターコネクタ１５の側面に重なるように配置することもできる。さらには、燃料極層１０、固体電解質層１１、密着層１４およびインターコネクタ１５のそれぞれの端部がこの順に重なるように配置することもできる。

ここで、燃料電池セル２は、燃料極層１０と空気極層１３とが固体電解質層１１を介して対面している部分が電極として機能して発電する。即ち、空気極層１３の外側に空気等
の酸素含有ガスを流し、且つ支持体８内のガス流路９に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体８に取り付けられているインターコネクタ１５を介して集電される。

以下に、図２において示す燃料電池セル２を構成する各部材について説明する。

支持体８は、燃料ガスを燃料極層１０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１５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８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、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと、特定の希土類元素酸化物とにより形成されることが好ましい。

特定の希土類元素酸化物は、支持体８の熱膨張係数を固体電解質層１１の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、例えば、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、ＳｍおよびＰｒから選択される少なくとも１種を含む希土類元素の酸化物が、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。このような希土類元素酸化物の具体例としては、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３を例示することができ、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数を固体電解質層１１に近づけることができるという点、かつ安価であるという点から、Ｙ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３が好ましい。

また、本実施形態においては、支持体８の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層１１と近似させるという点で、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類元素酸化物＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、支持体８中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。

また、支持体８は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が２５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、支持体８の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

なお、支持体８の平坦面ｎの長さ（支持体８の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体８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。

燃料極層１０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する）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１１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。

図２に示す燃料電池セル２においては、固体電解質層１１と後述する空気極層１３との間に、固体電解質層１１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１１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中間層１２を備えている。中間層１２としては、例えば、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、モル比によ
る組成式を（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＲＥＯ_１．５）_ｘと表した時、０＜ｘ≦０．３を満足する組成を有していることが好ましい。ここで、ＲＥはＳｍ、Ｙ、ＹｂおよびＧｄのうち少なくとも１種であることが望ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１０〜２０モル％のＳｍまたはＧｄが固溶したＣｅＯ_２からなることが好ましい。なお、中間層１２は、燃料電池セル２の構成にあわせて、複数の層から形成することもできる。

空気極層１３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、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３等のいわゆる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。空気極層１２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１５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１５は支持体８に形成された複数のガス流路９を流通する燃料ガス、および支持体８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。

さらに、図２に示す燃料電池セル２では、支持体８とインターコネクタ１５との間に、インターコネクタ１５と支持体８との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層１４が形成されている。密着層１４としては、例えば、支持体８において例示した希土類元素の少なくとも１種が固溶したジルコニアを用いることができる。

また、図２には示していないが、インターコネクタ１５の外面（上面）には、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系複合酸化物、ＬａＦｅＯ_３系複合酸化物、ＬａＣｏＯ_３系複合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からなるＰ型半導体層（図示せず）を設けることが好ましい。燃料電池セル２同士を電気的に接続する集電部材（図示せず）を、Ｐ型半導体層を介してインターコネクタ１５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、電位降下を少なくでき、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

図３は、改質器５および燃料ガス流通管７を取り外した状態のセルスタック装置１を示す平面図である。

図３においては、マニホールド４が２つの開口部を有しており、それぞれの開口部にセルスタック３が固定されている。なお、セルスタック３は枠体であるスペーサー１５内に、ガラスシール材等の絶縁性接合材３８により燃料電池セル２の下端部が固定されて、マニホールド４の開口部と燃料電池セル２のガス流路９とが連通している。

なお、各セルスタック３は、燃料電池セル２の配列方向を互いに平行になるように並置し、セルスタック３の同じ側における電流引出部１７同士を導電性の連結部材１８をネジ１９で螺着して連結することで、２つのセルスタック３を連結した構成となっている。なお、セルスタック３を３つ以上並置する場合も同様に、セルスタック３の同じ側における電流引出部１７同士を連結部材にて接続する構成とすることができる。

なお各燃料電池セル２間の間には集電部材２０が配置されており、燃料電池セル２の配列方向における端部と導電部材１６との間には端部集電部材２１が配置されている。それにより各燃料電池セル２が電気的に接続される。なお、集電部材２０については後述する
。

ここで、図３に示したセルスタック３がそれぞれ電気的に直列に接続されている場合において、一方のセルスタック３を構成する燃料電池セル２に故障や異常等が生じた場合に所定の電圧を得ることができなくなる。また、一方のセルスタック３の発電が停止した場合には、他方のセルスタック３における電流（電圧）を引き出すことが困難となる。

すなわち、セルスタック３の２つを電気的に直列に接続する場合において、セルスタック３に故障や異常を生じた場合（所定の電圧が得られなくなった場合）には、そのつど燃料電池装置を停止してメンテナンスを行なう必要性が生じ、メンテナンスの頻度が増えるほか、燃料電池装置の利便性が悪くなるおそれがある。

それゆえ、図３に示すセルスタック装置１においては、各燃料電池セル２の間に配置された集電部材２０が隣り合うセルスタック３にまたがって配置されている。それにより、それぞれのセルスタック３における燃料電池セル２は電気的に直列に接続されることとなるとともに、各セルスタック３の燃料電池セル２同士は電気的に並列に接続されることとなり、セルスタック装置１は電気的に直並列で接続されていることとなる。

それにより、セルスタック３を構成する燃料電池セル２において故障や異常を生じた場合でも、セルスタック装置１として発電を継続することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。さらには、特別な制御が必要ないことから、簡単な構成で長期間にわたって稼働させることができる。

なお、この上述のセルスタック装置１において、マニホールド４やスペーサー１５は、耐熱性を有していることが必要となるため、一般に耐熱性を有する金属にて作製することができる。

この場合において、集電部材２０は隣り合うセルスタック３にまたがって配置されることから、集電部材２０はマニホールド４やスペーサー１５と電気的に接続されることがないように配置する必要がある。

それゆえ、集電部材２０は、マニホールド４やスペーサー１５と間をあけて配置する、もしくはマニホールド４やスペーサー１５の表面に絶縁処理（例えばガラスコーティング）等を行なうことが好ましい。それにより、集電部材２０がマニホールド４やスペーサー１５と電気的に接続されることを抑制できる。

図４（ａ）は、本実施形態のセルスタック装置の他の実施形態を示す平面図であり、図４（ｂ）は、（ａ）で示すセルスタック装置の一部を抜粋して示す側面図である。なお、図４においては、図３と同様に改質器５および燃料ガス流通管７を取り外した状態を示している。

図４に示すセルスタック装置２２においては、マニホールド４が１つの開口部を有しており、１つの開口部にセルスタック３が２個固定されている。

それにより、セルスタック３同士の間隔を狭めることができ、熱自立体積を小さくすることができることから、セルスタック３の発電温度低下を抑制でき、発電効率を向上することができる。さらに、セルスタック３をまたがって配置される集電部材２０の大きさを小さくすることができるほか、セルスタック装置２２自体の大きさを小さくすることができる。それにあわせて、セルスタック装置２２を備える燃料電池モジュールや燃料電池装置の大きさも小さくすることができる。

ここで、図４に示すセルスタック装置２２においては、セルスタック３の端部に配置される端部集電部材として、セルスタック３の各燃料電池セル２の間に配置された集電部材２０を用いて、２つのセルスタック３を電気的に直並列に接続している。

それにより、セルスタック装置２２において用いる集電部材を１種類とすることができることから、製造コストを低減することができる。

なお、このような集電部材２０の側面図の一例を図４（ｂ）に示している。以下に、集電部材２０の一例について、図４（ａ）および図４（ｂ）に基づいて説明する。集電部材２０は、隣接する一方の燃料電池セル２と接触する集電片４８と、隣接する他方の燃料電池セル２と接触する集電片４８とを有し、それぞれの集電片４８の端部を接続する接続部４９とを備えた集電体５０を、集電部材２０の長手方向に導電性連結片５１を介して複数接続して構成されている。

このような集電部材２０においては、一方の集電片４８と他方の集電片４８とを燃料電池セル２側に交互に突出させて燃料電池セル２に接触させることにより、複数の燃料電池セル２を電気的に接続することができる。それゆえ、一方の集電片４８と他方の集電片４８は、燃料電池セル２の配列方向に沿って間隔をあけて配置されていることとなる。そして、燃料電池セル２間（すなわち、一方の集電片４８と他方の集電片４８との間の空間）に、燃料電池セル２（空気極層１３）に供給する酸素含有ガス（空気等）を流すことにより、燃料電池セル２（空気極層１３）に効率よく酸素含有ガスが供給され、マニホールド４より供給される燃料ガスとあわせて、燃料電池セル２で発電が行なわれる。

また、図４（ｂ）から明らかなように、本実施形態の集電部材２０は、下端がマニホールド４に接触しないよう、マニホールド４と集電部材２０との下端とが間をあけて配置されているとともに、セルスタック３にまたがって配置されている。

図５は、収納容器内に図４で示すセルスタック装置２２を収納してなる燃料電池モジュール（以下、モジュールと略す場合がある。）２３の一例を示す断面図である。

収納容器２４は、外壁２５にて収納容器２４の外枠が形成され、内部にセルスタック装置２２を収納する発電室３２が形成されている。

このような収納容器２４においては、セルスタック３を構成する燃料電池セル２の配列方向に沿う側部と、該側部に対向する収納容器２４の外壁との間に、反応ガス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２４は、外壁２５の内側に所定間隔をあけて第１の壁２６が形成されており、第１の壁２６の内側に所定間隔をあけて第２の壁２７が配置されており、さらに第２の壁２７の内側に所定間隔をあけて第３の壁２８が配置されている。

それにより、外壁２５と第１の壁２６とで形成された空間が第１の流路２９となり、第２の壁２７と第３の壁２８とで形成された空間が第２の流路３０となり、第１の壁２６と第２の壁２７とで形成された空間が第３の流路３１となる。

なお、図５に示した収納容器２４においては、第１の壁２６および第２の壁２７は収納容器２４の上壁（外壁２５）に接続されており、第３の壁２８の上端部が、第２の壁２７と接続されている例を示しているが、各壁の形状は収納容器の形状にあわせて適宜変更することができる。

また図５においては示していないが、収納容器２４の底部には、第２の反応ガスである酸素含有ガス（空気）を収納容器２４内に供給するための酸素含有ガス供給管が接続されており、酸素含有ガス供給管より供給される酸素含有ガスは、底部を流れた後、第１の流路２９に流れる。第１の流路２９を上方に向けて流れた酸素含有ガスは、第１の壁２６と第２の壁２７に繋がって設けられた酸素含有ガス流通口３６を通して、第２の流路３０に流れる。そして、第２の流路３０を下方に向けて流れた酸素含有ガスは、第３の壁２８に設けられた酸素含有ガス吹き出し口３５を通して、セルスタック３に向けて供給される。

一方、燃料電池セル２より排出される排ガスや、燃料電池セル２の上端部側で余剰の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２７に設けられた排ガス流通口３７を通して第３の流路３１に流入する。そして、第３の流路３１を下方に向けて流れた排ガスは、収納容器２４の底部側を流れて、排ガス排気管３３を通して収納容器２４の外部に排気される。

それゆえ、酸素含有ガス導入管より供給される酸素含有ガスは、底部側を流れる間に、底部側を流れる排ガスと熱交換され、第１の流路２９を流れる間に、第３の流路３１を流れる排ガスと熱交換され、第２の流路３０を流れる間に、第３の流路３１を流れる排ガスと発電室３２内の熱とで熱交換されることとなる。

それにより、効率よく反応ガスの温度を高めることができることから、セルスタック３の発電効率を向上することができるとともに、上述のセルスタック装置２２を収納してなることで、長期信頼性の向上したモジュール２３とすることができ、あわせてモジュール２３の大きさを小さくすることができる。

なお、上述のモジュール２３においては、セルスタック３の側面側に断熱部材３９が配置されており、それにおりセルスタック３の温度が低下することを抑制でき、発電効率を高く維持することができる。

上述のモジュール２３においては、セルスタック３の側方より酸素含有ガスが供給されるが、この場合に、左右両側より供給される酸素含有ガスの量が均一とならない可能性がある。

ここで、セルスタック３の間に配置された断熱部材３９が、マニホールド４より少し浮いた状態で配置されることにより、左右両側より供給された酸素含有ガスが、この空間を通じて混合され、それぞれのセルスタック３に供給される酸素含有ガスの量を均一化することができる。それにより、それぞれのセルスタック３における発電効率を向上することができる。

ちなみに、上述のモジュール２３においては、収納容器２４を前後に蓋を有する直方体状とすることにより、収納容器２４の蓋を脱着するだけで、セルスタック装置２２を容易に収納することができる。

図６（ａ）は、セルスタック３間に位置する集電部材２０の上方に、セルスタックの間を流れる酸素含有ガスを、燃料電池セル２間に流通させるためのガス流通方向変更部材５３を備えるセルスタック装置５２を示す斜視図であり、図６（ｂ）はガス流通方向変更部材の他の一例を示す正面図であり、図７は図６（ａ）に示すセルスタック装置５２を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール５８の一例を示す断面図である。なお、図６（ａ）に示すセルスタック装置５２においては、燃料電池セル２の配列方向の一端側に、板状の導電部材５４が配置されており、それぞれの導電部材５４が電流引出部５５により電気的に接続されている。また、図６においては集電部材２０を簡略して示している。

上述したように、燃料電池セル２の発電に用いられる酸素含有ガスは、第３の壁２８に設けられた酸素含有ガス吹き出し口３５を通して、セルスタック３の側方より供給される。

そして、酸素含有ガス吹き出し口３５より供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル２間、言い換えれば集電部材２０の空間を流れて、燃料電池セル２に供給される。

ここで、それぞれのセルスタック３間の上方が解放されている場合には、燃料電池セル２間に供給された酸素含有ガスが、セルスタック３間に流れた後、セルスタック３間（集電部材２０）の上方より流れ出てしまい、燃料電池セル２の発電に寄与しない酸素含有ガス量が増大し、発電効率が低下するおそれがある。

それゆえ、図６（ａ）に示すセルスタック装置５２においては、それぞれのセルスタック３の間に位置する集電部材２０の上方に、セルスタック３の間を流れる酸素含有ガスを、燃料電池セル２の間に流通させるためのガス流通方向変更部材５３が配置されている。

それにより、セルスタック３間に流れた酸素含有ガスは、セルスタック３間を上方に流れたとしても、ガス流通方向変更部材５３により燃料電池セル２間に流れることとなり、燃料電池セル２の発電に寄与しない酸素含有ガス量が増大することを抑制でき、発電効率を向上させることができる。

なお、図６（ａ）においては、ガス流通方向変更部材５３として、柱状のガス流通方向変更部材５３を示しているが、より効率よく燃料電池セル２間に酸素含有ガスを流すために、それぞれのセルスタック３の間に位置する集電部材２０の内部や、セルスタック３間において隣接する燃料電池セル２の間にも、ガス流通方向変更部材の一部を配置することもでき、図６（ｂ）においては、正面視において櫛歯状のガス流通方向変更部材５６を示している。

ここで、ガス流通変更部材５３や５６は、セルスタック３間の上方より酸素含有ガスが流れ出ることをより効果的に抑制するにあたり、集電部材２０を覆うように、集電部材２０に接触して配置されることが好ましい。

それゆえ、ガス流通変更部材５３、５６としては、耐熱性を有し、かつ絶縁性を有する材料にて作製することができる。具体的には、例えば断熱材、セメント、耐火レンガ、ガラス、セラミックス等の絶縁性の材料より作製したガス流通変更部材とすることができる。それにより、電気的な障害が生じることを抑制できる。

一方で、図６（ａ）に示したような直並列型のセルスタック装置５２においては、燃料電池セル２の１つに破損等の不具合が生じた場合であっても、各セルスタック３の燃料電池セル２同士が電気的に並列に接続される構造であることから、発電が継続されることとなるが、この場合に、不具合の生じた一方のセルスタック３における燃料電池セル２と隣り合う他方のセルスタック３における燃料電池セル２に電流が集中してしまい、この他方のセルスタック３における燃料電池セル２の劣化が早まるおそれがある。また、あわせて不具合の生じていない燃料電池セル２で発電した電流は、集電部材２０を流れることとなるが、不具合の生じた燃料電池セル２側にも流れるため、集電効率が低下するおそれもある。

図８は、セルスタック３間に位置する集電部材２０の上方に、セルスタック３にて発電された電流を外部に引き出すための第１の電流引出部材を兼ねるガス流通方向変更部材５３と、セルスタック３間に位置する集電部材２０の下方に配置された第２の電流引出部材５９とを備えるセルスタック装置５８を示す斜視図であり、図９は図７に示すセルスタック装置５８を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール６０の一例を示す断面図である。また、図８においては集電部材２０を簡略して示している。

図６に示したセルスタック装置５２においては、導電部材５４の下方側に電流引出部５５が設けられている例を示したが、この場合において、各燃料電池セル２の上方側や、集電部材２０の上方に配置された導電性のガス流通方向変更部材５３を流れた電流は、セルスタック３における燃料電池セル２の配列方向に沿って流れていく過程で、下方側へ流れていくこととなる。

すなわち、セルスタック３の一端側に位置する燃料電池セル２においては、下方側に電流が集中することとなり、それに伴い、燃料電池セル２の高さ方向において電流密度に分布が生じることで、セルスタック３において、セルスタック３の一端側の温度が低くなる温度分布が生じやすくなる。

それゆえ、図８に示すセルスタック装置５８においては、セルスタック３の間に位置する集電部材２０の上方に配置したガス流通方向変更部材５３を導電性の材料より作製することで、第１の電流引出部材（以下、第１の電流引出部材を、ガス流通方向変更部材と同じ符号にて説明する。）とするとともに、セルスタック３の間に位置する集電部材２０の下方に、集電部材２０と接して第２の電流引出部材５９が配置されており、この第１の電流引出部材５３と第２の電流引出部材５９との一端同士を電気的に接続している例を示している。

それにより、各燃料電池セル２で発電した電流は、集電部材２０の上方に配置された第１の電流引出部材５３または集電部材２０の下方に配置された第２の電流引出部材５９に流れて、セルスタック３における燃料電池セル２の配列方向に沿って流れることとなる。それゆえ、燃料電池セル２の発電により生じた電流が、燃料電池セル２の高さ方向における一方側に集中することを抑制できることから、セルスタック３において温度分布が生じることを抑制することができる。

またあわせて、この場合においては、燃料電池セル２の配列方向の一端側に配置される導電部材は不要となる。

図１０は、本実施形態の燃料電池装置４０の一例を概略的に示す分解斜視図である。なお、図１０においては一部構成を省略して示している。

図１０に示す燃料電池装置４０は、支柱４１と外装板４３から構成される外装ケース内
を仕切板４２により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２３を収納するモジュール収納室４４とし、下方側をモジュール２３を動作させるための補機類を収納する補機収納室４５として構成されている。なお、図１０においては、補機収納室４５に収納する補機類を省略して示している。

また、仕切板４２は、補機収納室４５の空気をモジュール収納室４４側に流すための空気流通口４６が設けられており、モジュール収納室４４を構成する外装板４３の一部に、モジュール収納室４４内の空気を排気するための排気口４７が設けられている。

このような燃料電池装置４０においては、長期信頼性の向上したモジュール２３を収納してなることから、長期信頼性の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、図５、７、９においては、酸素含有ガスを２つ並んだセルスタック３の側方から供給する構成を示したが、例えば第２の流路３０をモジュール２３の底面側に流した後、２つのセルスタック３の間から供給するように適宜構成を変更してもよい。

また、上述の説明において、第１のガスとして燃料ガスを、第２のガスとして酸素含有ガスを用いる構成の燃料電池セル２を用いて説明したが、第１のガスとして酸素含有ガスを、第２のガスとして燃料ガスを用いる構成の燃料電池セル２とすることもできる。

また、セルスタック３をまたがって配置される複数の集電部材２０を、それぞれの両端部や中央部で連結して、一体型の集電部材とすることもできる。この場合は、セルスタック３を構成する各燃料電池セル２間に、集電部材を容易に配置することができる。

１、２２、５２、５８：セルスタック装置
２：燃料電池セル
３：セルスタック
４：マニホールド
２０：集電部材
２３、５７、６０：モジュール
４０：燃料電池装置
５３：ガス流通方向変更部材（第１の電流引出部材）
５６：ガス流通方向変更部材
５９：第２の電流引出部材

Claims (5)

1. 複数個の燃料電池セルを一列に配列してなるセルスタックを複数有してなり、前記燃料電池セル間に、隣り合う前記セルスタックにまたがるように集電部材が配置されており、それぞれの前記セルスタックにおける前記燃料電池セルが電気的に直列に接続されているとともに、隣り合う前記セルスタックにおける前記燃料電池セル同士が電気的に並列に接続されており、
   それぞれの前記セルスタックの間であって、前記セルスタックの間を上方に向けて流れる第２の反応ガスの流れを、前記セルスタックの間から、それぞれの前記燃料電池セルの間に流通するように変更するガス流通方向変更部材を備えていることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記燃料電池セルは内部に一端から他端に貫通し、第１の反応ガスが流通するガス流路を有しており、該ガス流路に連通して前記燃料電池セルに前記第１の反応ガスを供給するための開口部を有するマニホールドを備えているとともに、該マニホールドの開口部に前記複数のセルスタックが接着され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. 前記ガス流通方向変更部材が絶縁性であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセルスタック装置。
4. 収納容器内に前記請求項１乃至請求項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ことを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 外装ケース内に、請求項４に記載の燃料電池モジュールを収納してなることを特徴とする燃料電池装置。