JPWO2012015051A1 - 燃料電池バンドルおよびこれを備えた燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルスタックに十分な量の反応ガスを効率良く供給することができる。【解決手段】第1の方向に延びる柱状の複数の燃料電池セルスタック３を、該燃料電池セルスタック３の側面同士が対向するように間隔をあけて配列してなり、燃料電池セルスタック３は、第１の方向に沿って第１ガス流路１２を有しており、かつ、第1の方向と交差する第２の方向に並んで配置されるとともに直列接続される複数の燃料電池セル１３を有しており、隣接する燃料電池セルスタック３間に、隣接する燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３同士を電気的に接続する接続部材２１と、該接続部材２１との間に第１ガス流路１２に沿った第２ガス流路２３を形成するための第２ガス流路規制部材２１とを備えてなる。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池バンドルおよびこれを備えた燃料電池モジュールに関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続してなる燃料電池セルスタックを、接続部材を介して複数個電気的に接続した燃料電池バンドルが提案されている。

このような燃料電池セルスタックとしては、複数の燃料電池セルを、インターコネクタを介して電気的に接続したものが知られている。燃料電池セルは、電気絶縁性の支持体の側面上に燃料極、固体電解質および空気極がこの順に積層されている。そして、複数の燃料電池セルスタックを千鳥状に配設し、隣接する燃料電池セルスタック同士を接続部材を介して電気的に接続した燃料電池バンドルが知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−１３４２３０号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、千鳥状に燃料電池セルスタックを配設し、燃料電池セルスタック間に反応ガスを大量に供給したとしても、隣接する燃料電池セルスタック間に供給された反応ガスが燃料電池セルスタック間から側方へ流出し、十分な量の反応ガスを燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルに効率良く供給できず、燃料電池バンドルの発電効率を高めることが難しいといった課題があった。

それゆえ、本発明は、燃料電池セルスタックに十分な量の反応ガスを効率良く供給することができる燃料電池バンドルおよびこれを備えた燃料電池モジュールを提供することにある。

本発明の燃料電池バンドルは、第1の方向に延びる柱状の複数の燃料電池セルスタックを、該燃料電池セルスタックの側面同士が対向するように間隔をあけて配列してなり、前記燃料電池セルスタックは、前記第１の方向に沿って第１ガス流路を有しており、かつ、前記第1の方向と交差する第２の方向に並んで配置されるとともに直列接続される複数の燃料電池セルを有しており、隣接する前記燃料電池セルスタック間に、前記隣接する燃料電池セルスタックの燃料電池セル同士を電気的に接続する接続部材と、該接続部材との間に前記第１ガス流路に沿った第２ガス流路を形成するための第２ガス流路規制部材とを備えてな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、上記の燃料電池バンドルを、収納容器内に収納してなるものである。

本発明によれば、燃料電池セルスタックを構成する燃料電池セルに十分な量の反応ガスを効率的に供給することができ、燃料電池バンドルの発電出力を向上させることができる。

燃料電池バンドルを構成する燃料電池セルスタックを示す正面図である。 図１に示す燃料電池セルスタックのＡ−Ａ線横断面図である。 燃料電池セルの詳細な構造を示す拡大断面図である。 （ａ）は第1の形態の燃料電池バンドルの断面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池バンドルの側面図である。 最も側方に配置された燃料電池セルよりも外方に接続部材、第２ガス流路規制部材を配置した第２の形態を示す燃料電池バンドルの断面図である。 接続部材と第２ガス流路規制部材との間にスペーサを配置した第３の形態を示す断面図である。 隣接する燃料電池セルスタックを示すもので、（ａ）は隣接する燃料電池セルスタックの対向する側面の燃料電池セルを、それぞれ間に位置するように配置した第４の形態の燃料電池バンドルを示す説明図、（ｂ）は隣接する燃料電池セルスタックの対向面に、燃料電池セルを対向するように配置した第５の形態の燃料電池バンドルを示す説明図である。 ２個の燃料電池バンドルを、接続部材が内側となるように並置した状態を示す断面図である。

図１、２を用いて、燃料電池バンドルに用いられる燃料電池セルスタック３について説明する。なお、図１では、セル間接続部材の記載は省略している。図１〜図８において、理解を容易にするために、厚み、長さ、幅等を拡大縮小して示している場合がある。

図１、２において、燃料電池セルスタック３は第1の方向に延びる柱状であり、細長い中空板状の支持体１１の側面に、この支持体１１の長さ方向に沿って、矩形形状の複数の燃料電池セル１３を、第1の方向と交差する第２の方向に並んで形成してなるものである。従って、燃料電池セルスタック３の長さ方向が第1の方向となる。なお、図２では、支持体１１は断面であるが、斜線を省略した。また、第1の方向と第２の方向は必ずしも直交する必要はない。

この形態では、燃料電池セル１３は、中空板状の支持体１１の一方の側面に２個、他方の側面に２個、合計４個形成されている。

複数の燃料電池セル１３は、図１に示すように正面視でそれぞれ長辺と短辺とを有する細長い長方形状であり、その長辺の延びる方向が支持体１１の長さ方向になっている。そして、燃料電池セル１３の隣り合う複数の長辺同士が対向している。支持体１の長さ方向が第１の方向でもあるため、第１の方向を支持体１１の長さ方ということもある。また、支持体１１の幅方向が第1の方向と交差する第２の方向でもあるため、第２の方向を支持体１の幅方向ということもある。

支持体１１は、図２に示すように、一対の互いに対向する平坦な側面を有し、それぞれの側面の両側方を孤状面により接続されており、楕円柱状の形状をしている。その内部に支持体１１の長さ方向の一端部から他端部にわたり貫通した一流路以上（図中では６個）の独立した第1ガス流路１２が、支持板１１の長さ方向（図２の紙面に垂直な方向）に設けられている。そしてこの第1ガス流路１２の内部を支持板１１の長さ方向の一端部から他端部にかけて燃料ガス（水素ガス）を流すことにより、支持板１１のそれぞれの側面に設けられた燃料電池セル１３に燃料ガスを供給する。支持体１１は、燃料電池セル１３同士の電気的短絡を防止する観点から絶縁性材料により形成されている。

なお、図１において、支持体１１の幅寸法（両端の弧状面間の距離に相当）Ｄは、例えば１５ｍｍ〜８０ｍｍ、好ましくは３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲であり、その長さ寸法Ｌは、例えば１００ｍｍ〜３００ｍｍ、好ましくは１５０ｍｍ〜２５０ｍｍの範囲である。

また、支持体１１は多孔質とされ、その開気孔率が、例えば、２５％以上、好ましくは、３０％〜４５％の範囲に設定するとよい。これにより、第1ガス流路１２内の燃料ガスを、燃料極１７の表面まで導入することができる。なお、図１は、燃料電池セルスタックであるが、この図で支持体１１の幅Ｄ、長さＬを示した。

燃料電池セル１３は、内側電極としての燃料極１７、固体電解質１９、及び外側電極としての空気極１８を積層して構成されており、燃料極１７、固体電解質１９、空気極１８が重なった部分が発電部として機能する。燃料電池セル１３は、支持体１１の側面に積層されている。固体電解質１９には燃料電池セル１３の長手方向に沿って開口部が設けられており、ここに導電性のインターコネクタ１４が形成され、支持体１１に設けられた燃料極１７と接続されている。インターコネクタ１４は、燃料電池セル１３により生じた電流を、隣接する燃料電池セル１３の表面に引き出す機能を有する。

燃料電池セル１３の空気極１８と、この燃料電池セル１３と隣接する燃料電池セル１３のインターコネクタ１４とは、セル接続部材１５により接続され、４個の燃料電池セル１３が電気的に直列に接続されている。支持体１１の表裏の燃料電池セル１３を電気的に接続するため、図２では、左側の弧状面の部分にセル接続部材１５が形成されている。また、燃料電池セルスタック３において、直列に接続された両端の燃料電池セルのインターコネクタ１４と、空気極１８とには、隣接する燃料電池セルスタック３と電気的に接続するためのセルスタック接続部材１６が接続されている。

燃料電池セル１３の詳細な構造について、図３を用いて説明する。図３は、燃料電池セル１３の詳細な構造を示す拡大断面図である。

支持体１１全体の表面には、支持体材料の拡散を防止するための拡散防止層１１ａが形成されている。その上に、燃料電池セル１３の形状に合わせて、水素ガスを透過させる燃料極１７が形成されている。燃料極１７は、この例では、集電燃料極１７ａと活性燃料極１７ｂとの２層で構成されている。

さらに燃料極１７の上には固体電解質１９が形成されている。この固体電解質１９は、後述するインターコネクタ１４を設ける開口部以外の燃料極１７および支持体１１を覆うように形成されており、隣接する燃料電池セル１３との間にも形成されている。それにより、支持体１１に設けられた第1ガス流路１２を流れる燃料ガスがガスリークすることを低減することができる。

固体電解質１９には燃料電池セル１３の長辺に沿った方向に延びる開口部が設けられており、この開口部に、燃料極１７から電気を取り出すためのインターコネクタ１４が形成されている。インターコネクタ１４は、図３では、金属層１４ａと、金属ガラス層１４ｂとの二層構造からなる。

なお、図３では、金属ガラス層１４ｂを用いたが、金属ガラス層１４ｂの代わりに従来公知の電気伝導性酸化物材料である、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３等を用いることができる。

さらに、固体電解質１９の上には、空気極１８と固体電解質１９との反応を防止するための反応防止層２０を介して、空気極１８が形成されている。この空気極１８とインターコネクタ１４とから、燃料電池セル１３の正負の電気を取り出すので、空気極１８とインターコネクタ１４とは接触しないように配置される。

さらにこの上に、多孔質のセル接続部材１５が形成されている。セル接続部材１５は、１つの燃料電池セル１３の空気極１８と、これに隣接する他の燃料電池セル１３のインターコネクタ１４とを接続するための導電性の部材である。このセル接続部材１５は、燃料電池セル１３の長手方向に沿って延びる一枚の部材であってもよく、燃料電池セル１３同士の複数箇所を接続する複数の部材からなっていてもよい。このセル接続部材１５により、支持体１１の長手方向の一端部から他端部にかけて配置された燃料電池セル１３同士が電気的に直列に接続される。

そして、燃料電池セルスタック３の右側の側部に位置する燃料電池セル１３の上には、隣接する燃料電池セルスタック３と電気的に接続するための、多孔質のセルスタック接続部材１６が形成されている。セルスタック接続部材１６は、上述したセル接続部材１５と同等の材質のものを用いることができ、第1の燃料電池セルスタック３の右側の側部に位置する燃料電池セル１３と、第２の燃料電池セルスタック３の右側の側部に位置する燃料電池セル１３とを、セルスタック接続部材１６、後述する接続部材２１を介して電気的に接続することができる。

なお、図２に示すように、支持体１１の上面に設けられ、左側の最も側部に配置された燃料電池セル１３と、同じ下面に設けられ、左側の最も側部に配置された燃料電池セル１３とは、インターコネクタ１４を介してセル接続部材１５を回り込むように配置することによって、電気的に接続される。このような支持体１１の上下面に設けられた燃料電池セル１３であっても、それらがセル接続部材１５で接続されるならば、互いに隣接した関係にあるという。

以上説明したように、上記形態の燃料電池セルスタック３において、隣接する燃料電池セル１３同士は、セル接続部材１５により電気的に接続されている。すなわち、一方の燃料電池セル１３の燃料極１７はインターコネクタ１４を介して、セル接続部材１５により、隣接する他方の燃料電池セル１３の空気極１８と接続される構造となっている。

なお、図２に示すように、支持体１１の右側の燃料電池セル１３のインターコネクタ１４′は、隣に配置される燃料電池セルスタック３に接続されるための極となる。また、図２に示すように、同じ支持体１１の右側の燃料電池セル１３の空気極１８′も、隣の燃料電池セルスタック３に接続されるための極となる。これらの極をつなぐために、詳しくは後述するが、接続部材（図示せず）が形成されている。

ここで、従来のように、支持体の長さ方向に燃料電池セルを複数個配列した燃料電池セルスタックの場合、燃料ガスの下流に位置する燃料電池セルに供給される燃料ガスの量が、上流に位置する燃料電池セルの発電に使用され、燃料ガスの上流に位置する燃料電池セル１３に供給される燃料ガスの量よりも少なくなる燃料枯れが生じるおそれがあった。

これに対して、上記した燃料電池セルスタック３では、支持体１１の側面上に一端部から他端部にわたって設けられた燃料電池セル１３の長辺同士が、支持体１１の幅方向に、セル接続部材１５やセルスタック接続部材１６により接続されているので、電流の流れる方向は、支持体１１の長さ方向すなわち燃料ガスの流れる方向とほぼ直角の方向になる。したがって、燃料電池セル１３の下流側へのガス供給量が減少する燃料枯れが起って、燃料電池セル１３の下流側の発電量が低下しても、燃料電池セルスタック３全体として、電流の流れる経路は確保されることになる。したがって、直ちに全体の発電能力の低下に結びつくことはなくなり、燃料電池セルスタック３の寿命が長くなる。

この燃料電池セルスタック３では、第1ガス流路１２内に水素を含む燃料ガスを流して支持体１１を還元雰囲気に曝し、かつ、詳しくは後述するが空気極１８の表面に空気などの酸素含有ガスを流して空気極１８を酸化雰囲気に曝すことにより、燃料極１７及び空気極１８で、電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電することができる。

また、この燃料電池セルスタック３は、１つの燃料電池セルスタック３あたり、複数の燃料電池セル１３を形成しているので、その数に応じて、燃料電池セルスタック３当りの発電電圧を高くすることができる。そのため、少ない数の燃料電池セルスタック３で高い電圧を得ることができる。

また、支持体１１は板状の形状を有し、燃料電池セル１３をその両側面に配置しているので、燃料電池セルスタック３の体積当たりの燃料電池セル１３の面積を大きくし、その結果、燃料電池セルスタック３の体積当たりの発電量を大きくすることができる。そのため、必要とする発電量を得るための燃料電池セルスタック３の個数を低減することができる。その結果、構造が簡易になり、組み立てが簡単になるとともに、燃料電池セルスタック３の信頼性を向上することができる。

以下、燃料電池セルスタック３の材料・組成を説明する。

支持体１１の組成として、次のような例を挙げることができる。支持体１１は、Ｎｉを、ＮｉＯ換算で６〜２２ｍｏｌ％含有し、Ｙ及び／又はＹｂを、Ｙ_２Ｏ_３又はＹｂ_２Ｏ_３換算で５〜１５ｍｏｌ％含有し、Ｍｇを、ＭｇＯ換算で６８〜８４ｍｏｌ％含有している。このような組成としたのは、固体電解質１９との収縮率差を小さくでき、固体電解質１９の割れを防止することができるからである。

集電燃料極１７ａは、主に発電した電流をインターコネクタ１４、セル接続部材１５、セルスタック接続部材１６に流すための機能を有するもので、多孔質の導電性サーメットから形成されている。この多孔質の導電性サーメットは、例えば、Ｎｉと希土類元素酸化物から構成されている。希土類元素酸化物としては特にＹ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３が望ましい。

活性燃料極１７ｂは、多孔質の導電性サーメットから形成されている。この多孔質の導電性サーメットは、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、Ｎｉ及び／又はＮｉ酸化物（ＮｉＯなど）とからなっている。また、安定化ジルコニアとしては、固体電解質１９の材料と同様のものを用いることもできる。

活性燃料極１７ｂにおいて、安定化ジルコニア（部分安定化ジルコニアを含む）の配合割合は、活性燃料極１７ｂの総量に対して、３５体積％〜６５体積％の範囲が好ましく、Ｎｉ及び／又はＮｉ酸化物の配合割合は、活性燃料極１７ｂの総量に対して、３５体積％〜６５体積％の範囲が好ましい。また、活性燃料極１７ｂは、その開気孔率が、例えば、１５％以上、さらには、２０％〜４０％の範囲であり、厚さは、良好な集電性能を発揮させるため、例えば、１μｍ〜１００μｍの範囲である。

固体電解質１９は、希土類又はその酸化物を固溶させた安定化ＺｒＯ₂からなる緻密質
のセラミックスで形成されている。ここで、固溶させる希土類元素又はその酸化物としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなど、又は、これらの酸化物などが挙げられる。Ｙ、Ｙｂ、又は、これらの酸化物を用いることで原料コストの低減ができる。

具体的には、固体電解質１９として、８モル％のＹが固溶している安定化ＺｒＯ₂（８ｍｏｌ％ Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、以下「８ＹＳＺ」とする）が挙げられる。また、収縮率が８ＹＳＺとほぼ等しいランタンガレート系（ＬａＧａＯ_３系）固体電解質を挙げることもできる。

固体電解質１９は、例えば、厚さが１０μｍ〜１００μｍであり、例えば、アルキメデス法による相対密度が９３％以上、好ましくは、９５％以上の範囲に設定される。

このような固体電解質１９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するとともに、燃料ガス又は酸素含有ガスのリーク（ガス透過）を防止するためにガス遮断性を有している。

空気極１８は、多孔質の導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、ＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物など、特にＡサイトにＬａを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、６００℃〜１０００℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、ＬａＣｏＯ_３系酸化物が挙げられる。また、前記したペロブスカイト型酸化物において、ＡサイトにＬａ及びＳｒが共存してもよく、また、ＢサイトにＦｅ、Ｃｏ及びＭｎが共存してもよい。このような空気極１８は、電極反応を生ずることができる。

また、空気極１８は、その開気孔率が、例えば、２０％以上、好ましくは、３０％〜５０％の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極１８が良好なガス透過性を有することができる。

また、空気極１８は、その厚さが、例えば、３０μｍ〜１００μｍの範囲に設定することができ、空気極１８が良好な集電性を有することができる。

インターコネクタ１４は、一方の燃料電池セル１３の燃料極１７と他方の燃料電池セル１３の空気極１８とを電気的に接続するものであり、インターコネクタ１４は、金属層１４ａと、ガラスの入った金属ガラス層１４ｂとの二層構造からなる。金属ガラス層１４ｂの代わりに、上記したように、従来公知の電気伝導性酸化物材料からなる層を用いることができる。電気伝導性酸化物材料としては、ランタンクロマイト系酸化物等をあげることができる。

なお、燃料電池セルスタックの構成部材の材料について説明したが、これに限定されるものではない。また、前記した形態においては、燃料電池セル１３の内側電極が燃料極１７であって、外側電極が空気極１８である多層構造を有しているが、両電極の位置関係を逆としてもよい。すなわち、支持体１１の側面に、空気極１８、固体電解質１９、燃料極１７を順次積層された燃料電池セルを形成することもできる。この場合、支持体１１の第1ガス流路内には、空気などの酸素含有ガスが流され、外側電極としての燃料極１７の表面には、水素などの燃料ガスが流されることになる。

図４を用いて、前記した燃料電池セルスタック３が接続された第1の形態の燃料電池バンドル４について説明する。

複数の燃料電池セルスタック３は、図４に示すように、同じ方向に向けて幅を揃えた状態で直線状に配列されており、隣接する燃料電池セルスタック３の右側の側部間に、支持体１１の長さ方向に沿って導電性の接続部材２１を備えている。この接続部材２１は、燃料電池セルスタック３同士を電気的に接続している。また、隣接する燃料電池セルスタック３の左側の側部間に、支持体１１の長さ方向に沿って第２ガス流路規制部材２２が設けられている。

言い換えれば、第1の方向に延びる柱状の複数の燃料電池セルスタック３が、該燃料電池セルスタック３の側面同士が対向するように所定間隔をおいて一列に配列しており、隣接する燃料電池セルスタック３間に、隣接する燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３同士を電気的に接続する接続部材２１と、該接続部材２１との間に第１ガス流路１２に沿った第２ガス流路２３を形成するための第２ガス流路規制部材２２とが、それぞれ支持体１１の長さ方向に設けられている。

そして、各燃料電池セルスタック３の下端部は、一方向に細長く延びる直方体形状の燃料ガスタンク２に挿入され固定されている。燃料ガスタンク２の上壁には１つの開口２ａが設けられ、開口２ａの内側に燃料電池バンドル４が配置され、開口部２ａが耐熱性のガラス等のシール材２４によりガスシールされている。

なお、燃料電池バンドル４の燃料ガスタンク２への固定方法としては、燃料ガスタンク２の上壁に、短手方向に延びる複数個のスリットを形成し、燃料電池セルスタック３をそれぞれ挿入して、ガラス等によりガスシールしてもよい。シール材２４に用いられるガラスの材料として、例えばホウケイ酸ガラス等の耐熱ガラスを用いることができる。

燃料ガスタンク２には、図示していないが、燃料ガスを燃料ガスタンク２に供給するための燃料ガス供給管が接続されており、燃料ガス供給管から供給された燃料ガスを各燃料電池セルスタック３に供給する。そして、前述したとおり、支持体１１の内部に設けられた第１ガス流路１２を通り、燃料電池セルスタック３の内部を燃料ガスが、燃料電池セルスタック３の下端部から上端部にかけて流れることとなる。

燃料電池セルスタック３内の電気の流れを説明すると、燃料電池セル１３Ａにより発電された電流は、インターコネクタ１４およびセル接続部材１５を介して燃料電池セル１３Ｂに流れ込む。燃料電池セル１３Ｂに流れ込んだ電流および燃料電池セル１３Ｂにより発電された電流は、インターコネクタ１４およびセル接続部材１５を介して燃料電池セル１３Ｃに流れ込む。同様に、燃料電池セル１３Ｃに流れ込んだ電流および燃料電池セル１３Ｃにより発電された電流は、インターコネクタ１４およびセル接続部材１５を介して燃料電池セル１３Ｄに流れ込むことで、燃料電池セルスタック３を電流が流れる。その後、燃料電池セル１３Ｄに流れ込んだ電流および燃料電池セル１３Ｄにより発電された電流は、セルスタック接続部材１６および接続部材２１を介して、隣接する上方の燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３に流れることとなる。このようにして、燃料電池バンドル４は、燃料電池セルスタック３を電気的に直列に接続して構成されている。

そのため、燃料電池セルスタック３を流れる電流が、支持体１１の長さ方向に対して垂直方向に流れることとなり、燃料電池セル１３の燃料枯れにより、燃料電池セルスタック３の燃料ガスの下流側に位置する部位の燃料電池セル１３が劣化した場合においても、燃料ガスの上流側に位置する部位の燃料電池セル１３により、従来の横縞型の燃料電池に比して、燃料電池バンドル４の劣化を低減することができ、燃料電池バンドル４の発電効率を向上できる。

また、燃料電池セルスタック３を千鳥状に配列せず直線状に配列したことから、燃料電池バンドル４が支持体１１の幅方向に広くなることを低減することができ、コンパクトな燃料電池バンドル４とすることができる。

ここで、前述したように、燃料電池セルスタック３の表面に空気（酸素含有ガス）が供給され、燃料電池セル１３は発電することができる。そのため、燃料電池バンドル４の側方に、図４の破線で示すように空気を導入する空気導入部材（図示せず）を設けることで、燃料電池セルスタック３間に空気を供給することができる。その場合、燃料電池セルスタック３の燃料ガスの上流側に位置する燃料電池セル１３に空気を供給するために空気導入部材の吹き出し口は、接続部材２１、第２ガス流路規制部材２２が設けられていない部位で、かる燃料電池セルスタック３の下方側に設ければよい。そして、燃料電池セルスタック３の下方側に供給された空気は、隣接する燃料電池セルスタック３間を上方に向けて流れることとなる。

すなわち、燃料電池バンドル４は、隣接する燃料電池セルスタック３の右側の側部間に、接続部材２１が支持体１１の長さ方向に沿って設けられ、隣接する燃料電池セルスタック３の左側の側部間に、第２ガス流路規制部材２２が支持体１１の長さ方向に沿って設けられているため、燃料電池セルスタック３と、接続部材２１と、第２ガス流路規制部材２２とにより囲まれた空間が第２ガス流路２３となり、酸素含有ガス（空気ということもある）が供給される場合は、酸素含有ガス流路となる。

このように、燃料電池セルスタック３と、接続部材２１と、第２ガス流路規制部材２２とにより、燃料電池セルスタック３間に第２ガス流路２３が形成されていることから、一旦、燃料ガスタンク２上面と接続部材２１、第２ガス流路規制部材２２との間から、燃料電池セルスタック３間に供給された空気が、燃料電池セルスタック３の外部に流出することを低減し、燃料電池セル１３に十分な量の空気を効率良く供給することができる。

さらに、燃料電池セルスタック３を互い違いに千鳥状に配置した従来の場合には、左右それぞれの燃料電池セルスタック３の間の広い空間に酸素含有ガスを大量に供給しなければならず、均一に効率良く酸素含有ガスを供給することが難しいが、本形態では、燃料電池バンドル４のように燃料電池セルスタック３を直線状に配列し、その間を第２ガス流路２３とすることにより、各燃料電池セルスタック３に酸素含有ガスを同程度に効率良く供給することができ、空気利用率を向上できる。なお、燃料電池セルスタック３の幅を揃えた状態で、湾曲するように燃料電池セルスタック３を配列してもよい。

また、燃料電池セルスタック３の上端部側にて、発電に使用されなかった燃料ガスと、発電に使用されなかった空気とを燃焼させる構成の燃料電池装置においては、燃料電池バンドル４に供給される燃料ガスおよび空気の量が少ない場合でも、効率よく空気を燃料電池セルスタック３の上端側に供給することができ、燃料電池装置が失火することを低減することができる。

接続部材２１の材質は、燃料電池セルスタック３同士を電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、セル接続部材１５と同様の材料から形成される。

なお、セルスタック接続部材１６と接続部材２１との接続部に、ＡｇやＰｔなどの貴金属を含有するペーストなどの導電性接着剤を塗布することにより、接続信頼性を向上させることもできる。また、導電性接着剤としては、経済的な観点から、好ましくは、Ｎｉ金属を含有するペーストが挙げられる。

第２ガス流路規制部材２２の材質は、第２ガス流路２３を規定するものであり、絶縁性を有することが望ましい。例えば、アルミナや燃料電池装置に使用される断熱材を用いてもよい。

接続部材２１および第２ガス流路規制部材２２の長さは、燃料電池セル１３の長さ方向の長さと同等かそれ以上とすることができる。それにより、燃料電池セル１３に空気を十分に供給することができるように第２ガス流路２３を形成することができる。なお、接続部材２１および第２ガス流路規制部材２２の長手方向の長さを、燃料電池セル１３の長辺の長さと等しくすることにより、接続部材２１および第２ガス流路規制部材２２のコストを抑えつつ、酸素含有ガスの流出を効果的に抑制することができる。

接続部材２１および第２ガス流路規制部材２２と、燃料電池セルスタック３とは、セラミックスやガラス等により適宜接続することができるが、接続部材２１を接合する場合、導電性を有するものにより接続する必要がある。接続部材２１および第２ガス流路規制部材２２を燃料電池セルスタック３と空気が流出しないように隙間なく接合することで、さらに反応ガスを燃料電池セル１３に供給することができる。なお、第２ガス流路規制部材２２は、必ずしも燃料電池セルスタック３と接合する必要はない。

また、接続部材２１または第２ガス流路規制部材２２は、支持体１１の長さ方向に複数に分割された部材により形成することができる。その場合においては、複数の部材を所定の間隔をあけて支持体１１の長さ方向に配置して、接続部材２１または第２ガス流路規制部材２２とすることができる。それにより、燃料電池セルスタック３に接合した際に、接続部材２１または第２ガス流路規制部材２２との間に生じる応力を低減することができる。

また、接続部材２１または第２ガス流路規制部材２２は、長さ方向に沿って配置された一つの部材により形成することができる。その場合においては、第２ガス流路２３を流れる酸素含有ガスが燃料電池セルスタック３間から流出することをさらに低減することができる。

図５を用いて第２の形態の燃料電池バンドル４′について説明する。なお、図５においては、断面である部材であっても斜線等の記載を省略したものがある。

燃料電池バンドル４′は、第２ガス流路規制部材２２および接続部材２１が燃料電池セルスタック３ａ、３ｂの最も側方に配置された燃料電池セル１３よりも外方に設けられている。その他の構成は図４に示した燃料電池バンドル４と同様であり、同一の部材については同一の図番号を付している。

より具体的には、燃料電池バンドル４′は、燃料電池セルスタック３ｂのセル接続部材１５の下方に位置する空気極１８ｂよりも燃料電池セルスタック３ｂの幅方向における左側に、第２ガス流路規制部材２２が配置されており、燃料電池セルスタック３ａのセルスタック接続部材１６の下方に位置する空気極１８ａよりも燃料電池セルスタック３ａの幅方向における右側に、接続部材２１が配置されている。

第２の形態の燃料電池バンドル４′では、上記の構成を有することから、空気極１８ａ，１８ｂのすべての部位を第２ガス流路２３の内部に配置することができ、空気極１８に空気をさらに供給することができる。この場合、接続部材２１、第２ガス流路規制部材２２を緻密体とすることができる。接続部材２１を緻密体とすることにより、電気抵抗を小さくすることができる。

燃料電池バンドル４、４′を複数集合して、発電ユニットを組み立てる。この発電ユニットに、発電ユニットで発生した電力を燃料電池外に取り出すための電極を取り付けて、収容容器に収容して、燃料電池を製作する。

燃料電池の使用時、水素を含む燃料ガスを、導入管を通して燃料ガスタンクに導入する。一方、燃料電池バンドル４、４′の表面には、酸素を含む空気を導入する。燃料電池セル１３を所定温度に加熱すれば、直列に接続された燃料電池セル１３によって効率よく発電することができる。使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。

本発明は、前記の形態に限定されるものではない。たとえば、図１に示した燃料電池セルでは、中空板状以外に中空円筒状などの形状をしていてもよい。また、中空板状の支持体１１の一方の側面に２個、他方の側面に２個、合計４個形成したが、この数に限定されるものではない。

図６は、燃料電池バンドルの第３の形態を示すもので、この第３の形態では、隣接する燃料電池セルスタック３間であって、接続部材２１と第２ガス流路規制部材２２との間に、スペーサ２５が支持体１１の長さ方向に２本設けられている。これらのスペーサ２５は絶縁性とされており、スペーサ２５と燃料電池セルスタック３との間が接着剤で接合されている。

発電から発電停止を繰り返した場合には、燃料電池セルスタック３に変形が生じ、燃料電池セルスタック３間を接続部材２１、第２ガス流路規制部材２２で接合したとしても、この接合部分が経時劣化を生じ、燃料電池セルスタック３間が剥離し易くなる。

これに対して、接続部材２１と第２ガス流路規制部材２２との間に、スペーサ２５を支持体１１の長さ方向に設け、隣接する燃料電池セルスタック３に接合することにより、隣接する燃料電池セルスタック３間の間隔を確実に保持できるとともに、燃料電池セルスタック３間を第２ガス流路規制部材２２、スペーサ２５および接続部材２１で確実に接合することができ、発電から発電停止を繰り返した場合でも燃料電池セルスタック３間の接合固定を長期間維持できる。

図７（ａ）は、燃料電池バンドルの第４の形態を示すもので、この第４の形態では、隣接する第１の燃料電池セルスタック３と第２の燃料電池セルスタック３との対向する側面に、燃料電池セル１３がそれぞれの間に位置するように配置されている。なお、図７では、燃料電池セルスタックを模式的に記載した。

すなわち、隣接する燃料電池セルスタック３において、第１の燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３は、第２の燃料電池セルスタック３の第１の燃料電池セルスタック３側の側面に形成された燃料電池セル１３間に位置するように配置されている。

このような燃料電池バンドルでは、第１の燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３は、第２の燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３間に位置するため、第１の燃料電池セルスタック３と第２の燃料電池セルスタック３との間の第２ガス流路２３の間隙がほぼ同一となるため、隣接する燃料電池セルスタック３の対向する測面に形成された燃料電池セル１３に、ほぼ同程度に空気を供給することができ、燃料電池セルスタック３における複数の燃料電池セル１３間の発電性能を均一化でき、一部の燃料電池セル１３の劣化を低減できる。

一方、図７（ｂ）に示すように、第１の燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３と、第２の燃料電池セルスタック３の燃料電池セル１３とを、第１、第２の燃料電池セルスタック３間で対向させた場合には、第１、第２の燃料電池セルスタック３の対向面に形成された燃料電池セル１３はそれぞれ対面しているため、第１の燃料電池セルスタック３と第２の燃料電池セルスタック３の対向する側面には、第２ガス流路２３において、燃料電池セル１３が形成されていない部分が対向しており、その部分が広い間隙となっており、この広い間隙を空気が流れることになり、空気利用率が低下し易いが、その一方で対向する燃料電池セル１３同士が反応熱で加熱し合い、発電性能を向上できる。なお、セル接続部材１５は、燃料電池セル１３の外面形状を反映した形状となり、燃料電池セル１３が形成された部分と、形成されていない部分とは高低差が明確に生じる。

図８は、２個の燃料電池バンドルを有する燃料電池モジュールの形態を示すもので、この形態では、図４に示した燃料電池バンドルを収納容器内に２個並置した状態を示している。なお、収納容器の記載は省略している。

この燃料電池モジュールでは、接続部材２１が内側となるように燃料電池バンドル４が２個並置されている。言い換えると、燃料電池セルスタック３の配列方向が平行となるように、２個の燃料電池バンドル４が並置されており、それぞれの燃料電池バンドル４において、接続部材２１が内側に位置し、第２ガス流路規制部材２２が外側に位置している。

さらに言い換えると、燃料電池セルスタック３には、燃料電池セルスタック３の一方の側面（下面）から他方の側面（上面）まで形成されたセル接続部材１５を有する側と、有しない側とがあり、図８では、右側の燃料電池バンドル４では燃料電池セルスタック３の右側に、左側の燃料電池バンドル４では燃料電池セルスタック３の左側に、表裏面の燃料電池セル１３を接続するセル接続部材１５が形成されている。

このような燃料電池モジュールでは、表裏面のセルを接続するセル接続部材１５は長さが長いため発熱量が大きいが、２個並置された燃料電池バンドルの外側に、表裏面の燃料電池セル１３を接続するセル接続部材１５が位置するため、収納容器内の温度分布を低減できる。

２ 燃料ガスタンク
３ 燃料電池セルスタック
４、４′ 燃料電池バンドル
１１ 支持体
１２ 第1ガス流路
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ 燃料電池セル
１４ インターコネクタ
１５ セル接続部材
１６ セルスタック接続部材
１７ 燃料極
１８ 空気極
１９ 固体電解質
２１ 接続部材
２２ 第２ガス流路規制部材
２３ 第２ガス流路
２５ スペーサ

Claims (11)

1. 第1の方向に延びる柱状の複数の燃料電池セルスタックを、該燃料電池セルスタックの側面同士が対向するように間隔をあけて配列してなり、
   前記燃料電池セルスタックは、前記第１の方向に沿って第１ガス流路を有しており、かつ、前記第1の方向と交差する第２の方向に並んで配置されるとともに直列接続される複数の燃料電池セルを有しており、
   隣接する前記燃料電池セルスタック間に、前記隣接する燃料電池セルスタックの燃料電池セル同士を電気的に接続する接続部材と、該接続部材との間に前記第１ガス流路に沿った第２ガス流路を形成するための第２ガス流路規制部材とを備えてなることを特徴とする燃料電池バンドル。
2. 前記第２ガス流路規制部材は絶縁性を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池バンドル。
3. 前記接続部材が、前記第1の方向に分割された複数の部材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池バンドル。
4. 前記接続部材が、前記第1の方向に沿って設けられた一つの部材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池バンドル。
5. 前記第２ガス流路規制部材が、前記第1の方向に分割された複数の部材からなることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池バンドル。
6. 前記第２ガス流路規制部材が、前記第1の方向に沿って設けられた一つの部材からなることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池バンドル。
7. 前記第２ガス流路規制部材および前記接続部材が、前記燃料電池セルスタックの最も側方に配置された前記燃料電池セルよりも外方に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池バンドル。
8. 隣接する前記燃料電池セルスタック間であって、前記接続部材と前記第２ガス流路規制部材との間に、スペーサを設けてなることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池バンドル。
9. 隣接する前記燃料電池セルスタックにおいて、第１の前記燃料電池セルスタックの前記燃料電池セルは、第２の前記燃料電池セルスタックの前記第１の燃料電池セルスタック側の側面に形成された燃料電池セル間に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の燃料電池バンドル。
10. 請求項１乃至９のうちいずれかに記載の燃料電池バンドルを、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。
11. 前記収納容器内に、接続部材が内側となるように前記燃料電池バンドルを２個並置してなることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池モジュール。

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