JP5448917B2 - 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、複数個の柱状の燃料電池セルを立設して配列し、電気的に接続してなるセルスタックを備え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（通常、空気である。）とを用いて電力を得ることができる柱状の燃料電池セルを複数個立設して配列し、電気的に直列に接続してなる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や、燃料電池モジュールを具備してなる燃料電池装置が提案されている（特許文献１参照）。

セルスタック装置は、柱状の燃料電池セルを集電部材を介して立設させた状態で配列してなるセルスタックと、燃料電池セルの配列方向の両端に端部集電部材を介して導電部材とを配置し、このうち燃料電池セルおよび導電部材の下端が反応ガス（燃料ガス等）を供給するためのマニホールドに固定されて構成されている。

また、端部集電部材としては、燃料電池セルの変形に十分追従して変形するように、燃料電池セルの配列方向における端部に位置する燃料電池セルに接続する複数の第１集電片と、導電部材に接続する複数の第２集電片と、離れて配置される第１集電片の一端と第２集電片の他端とを接続する第１導電片と、離れて配置される第２集電片の一端と他の第１集電片の他端とを接続する第２導電片とを基本構成とし、燃料電池セルの長手方向に連続的に連なって構成されている端部集電部材が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００３−３０８８５７号公報 特開２００７−２２７２０３号公報

ところで、上述のセルスタック装置においては、端部集電部材が、燃料電池セルとは第１集電片のみで接続されており、導電部材とは第２集電片のみで接続されているため、端部集電部材と、燃料電池セルや導電部材との接続面積を大きくすることが難しい。そのため、セルスタック装置の発電により生じた電流を、効率よく外部に引出す（集電する）ことができず、セルスタック装置の発電効率を向上させることが難しかった。

また、このような端部集電部材は、端部集電部材の幅方向における両端を拘束するような構成ではないことから、ハンドリング性が悪く、端部集電部材（特には集電片）が容易に変形してしまい、セルスタック装置の製造時において、燃料電池セルや導電部材と剥離を生じるおそれがある。

それゆえ、本発明は、効率よく集電することができるとともに、ハンドリング性が向上した端部集電部材を提供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を目的とする。

本発明のセルスタック装置は、複数個の柱状の燃料電池セルを集電部材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なるセルスタックと、該セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から端部集電部材を介して挟持するように配置された導電部材と、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反応ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置において、前記端部集電部材は、前記導電部材と接続された枠状部と、該枠状部に対して間隔をあけて配置され、かつ前記燃料電池セルに接続された、該燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の一方側と前記集電片の他方側とを接続する第１接続部と、前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の他方側と前記
集電片の一方側とを接続する第２接続部とを一つのユニットとして、前記燃料電池セルの長手方向に、前記複数のユニットが複数配置され、該ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなり、前記集電片の前記燃料電池セルの長手方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置された前記ユニットの前記集電片の数が、前記端部集電部材の最下端に配置された前記ユニットの前記集電片の数よりも少ないことを特徴とする。

このようなセルスタック装置においては、端部集電部材が、導電部材と接続された枠状部と、枠状部と間隔をあけて配置され、かつ燃料電池セルに接続された、燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、燃料電池セルの幅方向における枠状部の一方側と集電片の他方側とを接続する第１接続部と、燃料電池セルの幅方向における枠状部の他方側と集電片の一方側とを接続する第２接続部とを具備することから、燃料電池セルや導電部材と端部集電部材との接続面積を増加させることができる。それにより、セルスタック装置にて発電した電流を効率よく集電することができ、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、集電片が、第１接続部と第２接続部により枠状部に接続されていることから、端部集電部材のハンドリング性を向上させることができ、セルスタック装置の作製時において、端部集電部材と燃料電池セルや導電部材との剥離を抑制することができる。また、本発明のセルスタック装置は、複数の前記燃料電池セルの配列方向から見たとき、前記第１接続部、前記集電片および前記第２接続部が前記枠状部の枠内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、複数の燃料電池セルの配列方向から見たとき、第１接続部、集電片および第２接続部が枠状部の枠内に配置されていることから、端部集電部材をプレス成形等の簡単な加工により作製することができ、容易に端部集電部材を作製することができる。さらに、第１接続部、集電片および第２接続部が枠状部の枠内に配置されていることから、第１接続部、集電片および第２接続部が変形することを抑制でき、さらにハンドリング性の向上した端部集電部材とすることができる。

また、本発明のセルスタック装置は、前記端部集電部材が、前記枠状部と、複数の前記集電片と、前記第１接続部と、前記第２接続部とを一つのユニットとし、該ユニットを、前記燃料電池セルの長手方向に沿って複数配置するとともに、各前記ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなる。ここで、セルスタック装置の作動時において、各燃料電池セルが変形することがある。このような燃料電池セルの変形としては、燃料電池セルの配列方向に沿って反る変形である反り（以下、反りという場合がある。）のほか、上下方向に伸びる変形（以下、伸びという場合がある。）が例示される。このような燃料電池セルの変形が生じた場合においても、端部集電部材が、枠状部と、複数の集電片と、第１接続部と、第２接続部とを一つのユニットとし、ユニットを、燃料電池セルの長手方向に沿って複数配置するとともに、各ユニットの枠状部を導電性連結片により接続してなることから、燃料電池セルの変形（伸びや反り）に柔軟に追従することができ、燃料電池セルと端部集電部材との剥離を抑制することができる。

本発明のセルスタック装置は、前記端部集電部材が、前記集電片の前記燃料電池セルの長手方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置された前記ユニットの前記集電片の数が前記端部集電部材の最下端に配置された前記ユニットの前記集電片の数よりも少ないことを特徴とする。このようなセルスタック装置においては、端部集電部材が、集電片の燃料電池セルの長手方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置されたユニットの集電片の数が端部集電部材の最下端に配置されたユニットの集電片の数よりも少ないことから、燃料電池セルの変形（伸びや反り）に柔軟に追従することができる。特に、燃料電池セルの下端部がマニホールドに固定されていることから、燃料電池セルの伸びは、燃料電池セルの下端部側に比べ上端部側が大きくなっており、本発明を好適に用いることができる。

本発明のセルスタック装置は、複数個の柱状の燃料電池セルを集電部材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なるセルスタックと、該セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から端部集電部材を介して挟持するように配置された導電部材と、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反応ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置において、前記端部集電部材は、前記導電部材と接続された枠状部と、該枠状部に対して間隔をあけて配置され、かつ前記燃料電池セルに接続された、該燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の一方側と前記集電片の他方側とを接続する第１接続部と、前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の他方側と前記集電片の一方側とを接続する第２接続部とを一つのユニットとして、前記燃料電池セルの長手方向に、前記複数のユニットが複数配置され、該ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなり、前記端部集電部材は、前記集電片の前記燃料電池セルの長手方向における長さ、前記ユニットの前記集電片の数および隣接する前記集電片間の間隔が同じであるとともに、最上端に配置された前記ユニットの前記枠状部の前記燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置された前記ユニットの前記枠状部の前記燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことを特徴とする。このようなセルスタック装置においては、端部集電部材が、集電片の燃料電池セルの長手方向における長さ、各ユニットの集電片の数および隣接する集電片間の間隔が同じであるとともに、最上端に配置されたユニットの枠状部の燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置されたユニットの枠状部の燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことから、燃料電池セルの変形（伸びや反り）に柔軟に追従することができる。

本発明のセルスタック装置は、複数個の柱状の燃料電池セルを集電部材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なるセルスタックと、該セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から端部集電部材を介して挟持するように配置された導電部材と、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反応ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置において、前記端部集電部材は、前記導電部材と接続された枠状部と、該枠状部に対して間隔をあけて配置され、かつ前記燃料電池セルに接続された、該燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の一方側と前記集電片の他方側とを接続する第１接続部と、前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の他方側と前記集電片の一方側とを接続する第２接続部とを一つのユニットとして、前記燃料電池セルの長手方向に、前記複数のユニットが複数配置され、該ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなり、前記端部集電部材は、前記集電片の前記燃料電池セルの長手方向における長さ、前記ユニットの前記集電片の数および隣接する前記集電片間の間隔が同じであるとともに、最上端に配置された前記ユニットに接続されている前記導電性連結片の前記燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置された前記ユニットに接続されている前記導電性連結片の前記燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことを特徴とする。このようなセルスタック装置においては、端部集電部材が、導電性連結片の燃料電池セルの幅方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置されたユニットに接続されている導電性連結片の燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置されたユニットに接続されている導電性連結片の燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことから、端部集電部材の上端部側の剛性を低下させることができ、端部集電部材と変形量（特には伸び）の大きい燃料電池セルの上端部側との剥離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装置とすることができる。

本発明のセルスタック装置は、端部集電部材が、集電片の燃料電池セルの長手方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置されたユニットの集電片の数が端部集電部材の最下端に配置されたユニットの集電片の数よりも少ないことから、燃料電池セルの変形（伸びや反り）に柔軟に追従することができる。また、端部集電部材が、集電片の燃料電池セルの長手方向における長さ、各ユニットの集電片の数および隣接する集電片間の間隔が同じであるとともに、最上端に配置されたユニットの枠状部の燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置されたユニットの枠状部の燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことから、燃料電池セルの変形（伸びや反り）に柔軟に追従することができる。また、端部集電部材が、導電性連結片の燃料電池セルの幅方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置されたユニットに接続されている導電性連結片の燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置されたユニットに接続されている導電性連結片の燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことから、端部集電部材の上端部側の剛性を低下させることができ、端部集電部材と変形量（特には伸び）の大きい燃料電池セルの上端部側との剥離を抑制することができる。それにより、セルスタック装置にて発電した電流を効率よく集電することができ、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、このセルスタック装置を収納容器内に収納することで、発電効率の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て示す平面図である。 図１における端部集電部材を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。 （ａ）は、図２における端部集電部材の一部を拡大して示す要部斜視図であり、（ｂ）は、本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材の他の一例を示し、一部を拡大して示す要部斜視図である。 （ａ）は、本発明のセルスタック装置を構成する導電部材を示す斜視図であり、（ｂ）は、本発明のセルスタック装置を構成する導電部材と端部集電部材との接続状態を示す平面図である。 本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。 本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。 本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。 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１の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１の一部を拡大した平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。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。なお、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。

ここで、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空気極層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４ａ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、セルスタック２を燃料電池セル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４ｂを介して導電部材５により挟持し、燃料電池セル３の下端部を、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド７に固定して構成されている。なお、燃料極層８、固体電解質層９および空気極層１０を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は発電する。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、外側電極層を空気極層１０として説明する。

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出すための電流引出部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（反応ガス）を流すための燃料ガス流路（反応ガス流路）１３が所定の間隔をあけて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４ａおよび端部集電部材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、両者の接続がオーム接続となり、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および空気極層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（内側電極層）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８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８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ともに、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９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）１０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１
０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１１は導電性支持体１２に形成された複数の燃料ガス流路１３を流通する燃料ガス、および導電性支持体１２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１１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。

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。

なお、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、鉄属金属成分と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、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、支持体１２の平坦面の長さ（支持体１２の幅方向の高さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面の長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体１２の厚み（平坦面間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。

Ｐ型半導体層１４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１１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９と空気極層１０との間に、固体電解質層９と空気極層１０との接合を強固なものとするとともに、固体電解質層９の成分と空気極層１０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１１と支持体１２との間に、インターコネクタ１１と支持体１２との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層８と類似した組成の密着層を設けることもできる。

そして、それぞれの燃料電池セル３は集電部材４ａを介して電気的に直列に接続され。
セルスタック２を構成する。なお、集電部材４ａ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４ａ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拡散抑制コーティングすることが好ましい。

なお、集電部材４ａ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。

ここで、本発明のセルスタック装置１を構成する端部集電部材４ｂを説明する。

図２は、本発明のセルスタック装置１を構成する端部集電部材４ｂを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。図３は、（ａ）は、図２における端部集電部材４ｂの一部を拡大して示す要部斜視図であり、（ｂ）は、本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材の他の一例を示し、一部を拡大して示す要部斜視図である。

端部集電部材４ｂは、導電部材５と接続される枠状部１５と、燃料電池セル３に接続され燃料電池セル３の幅方向(以下、セル幅方向と略す場合がある。) に沿って延びる帯状
の集電片１７と、セル幅方向における枠状部１５の一方側（側枠の一方側）と集電片１６のセル幅方向の他方側端部とを接続する第１接続部１７と、セル幅方向における枠状部１５の他方側（側枠の他方側）と集電片１７のセル幅方向の一端側端部とを接続する第２接続部１８とを一つのユニットとして、端部集電部材４ｂの長手方向に複数のユニットが配置され、各ユニットの枠状部１５の上端及び下端のセル幅方向の中央部を導電性連結片１９により連結されている。

図２（ｂ）に示すように、一つのユニットは、第１接続部１７、集電片１６および第２接続部１８を一組として一つの枠状部１５に所定間隔をあけて、セル配列方向から見たとき（図２においては、正面視したとき。）に枠状部１５内に複数組配置されている。

また、図１（ａ）に示すように、セル配列方向における端部に位置する燃料電池セル３と導電部材５とは所定の間隔を有している。そのため、端部集電部材４ｂは、図３（ａ）に示すように、第１接続部１７および第２接続部１８は複数回（図では３回）折れ曲がり、燃料電池セル３側に突出した形状になっている。それにより、枠状部１５が導電部材５に接続されるとともに、集電片１６が燃料電池セル３と接続される。

本発明の端部集電部材４ｂは、第１接続部１７、集電片１６および第２接続部１８を一組とし、これらの複数組がセル配列方向から見たときに枠状部１５内に配置され、このユニットの複数個が導電性連結片１８に連結されていることから、燃料電池セル３および導電部材５との接続面積を増加させることができ、発電効率の向上ししたセルスタック装置１とすることができる。

本発明の端部集電部材４ｂは、集電片１６と接続されていない側における第１接続部１７および第２接続部１８の端部が枠状部１５に接続されていることから、端部集電部材４ｂのハンドリング性を大幅に向上させることができ、セルスタック装置１の作製時や端部集電部材４ｂの加工時等の端部集電部材４ｂの変形を抑制することができる。

また、枠状部１５が導電部材５と接続されることから、導電部材と集電片にて接続される従来の端部集電部材に比べて、導電部材５と端部集電部材４ｂとの接続を強固なものにすることができる。

なお、端部集電部材４ｂにおいては、一つのユニットに集電片１７が４つ設けられ、５つのユニットからなる端部集電部材４ｂの例を示したが、これに限定されるものではない。

図３（ｂ）に示す端部集電部材２０は、一つのユニットに集電片１７が一つ設けられた例を示している。このような端部集電部材２０においても、燃料電池セル３や導電部材５との接続面積が増加することができるとともに、ハンドリング性を向上させることができる。なお、一つのユニットに集電片１７が一つ設けられる端部集電部材２０とした場合、後述する燃料電池セル３の変形に追従するため、セル長手方向に沿ってユニットを複数配置することが好ましい。

また、端部集電部材４ｂは、上記した集電部材４ａと同様にＣｒを含有する合金により作製することができ、Ｃｒの拡散を抑制するコーティングを施すことが好ましい。

ここで、端部集電部材４ｂは、例えば板部材をプレス加工により所定の形状に打ち抜き、集電片１６が枠状部１５より突出するように、第１接続部１７および第２接続部１８を引出して、作製することができる。この方法を用いれば容易に端部集電部材４ｂを作製することができる。なお、各部材を別途作製し、それぞれを接合や溶接して端部集電部材４ｂを作製してもよい。

なお、図示していないが、端部集電部材が一つのユニットにより構成され、集電片１６、第１接続部１７および第２接続部１８を複数組備える構成としてもよい。その場合においても、段部集電部材と燃料電池セル３や導電部材５との接続面積を向上させることができるとともに、ハンドリング性の向上した端部集電部材とすることができる。

図４は、（ａ）は、本発明のセルスタック装置を構成する導電部材５を示す斜視図であり、（ｂ）は、本発明のセルスタック装置を構成する導電部材５と端部集電部材４ｂとの接続状態を示す平面図である。

導電部材５は、平板部２１とその両側縁から屈曲した一対の側板部２２とを具備している。なお、導電部材５は、燃料電池セル３の発電により生じる電流を外部に引き出すための電流引出部６を備えている。

導電部材５は、側板部２２が設けられていることから、導電部材５の平板部２１の剛性を高めることができ、セルスタック装置１の運搬時や設置時における振動等により導電部材５がセルスタック２が破損することを抑制することができる。なお、側板部２２は平板部２１を折り曲げて作製することもでき、別部材を接合しても受けてもよい。また、導電部材５は、上記したＣｒを含有する合金により作製することができる。さらに、Ｃｒの拡散を抑制するコーティングを施すことが好ましい。

図４（ｂ）に示すように、端部集電部材４ｂは、導電部材５と枠状部１５とが接続され、図示していないがセル配列方向の端部に位置する燃料電池セル３と集電片１６とが接続する。端部集電部材４ｂと導電部材５や燃料電池セル３は導電性セラミックス等の導電性接着剤（図示せず）により接続されている。なお、集電部材４ａと燃料電池セル３との接続においても、導電性接着剤が用いられている。

ところで、上述したような燃料電池セル３を用いて構成されるセルスタック装置１においては、セルスタック装置１の運転に伴い、燃料電池セル３が空気極層１０側に向けて屈曲する変形（反り）を生じる場合がある。さらに、燃料電池セル３の作製時に、支持体１２や燃料極層８に含むことができるＮｉＯを、導電性のあるＮｉに還元する還元処理を行なう必要があるが、この際に、空気極層１０とインターコネクタ１１との熱膨張係数の違いにより、これらの変化量に差が生じ、燃料電池セル３が反りを生じる場合がある。

また、燃料電池セル３は、セルスタック装置１の発電時や上記還元処理時において、燃料電池セル３の長手方向（下端がマニホールド７に固定されているため特には上方向）に伸びる変形（伸び）が生じる場合がある。

そして、燃料電池セル３に反りや伸びが生じると、端部集電部材４ｂと燃料電池セル３とが剥離し、発電効率が低下するおそれがある。また、導電部材５が燃料電池セル３の反りや伸びに柔軟に追従して変形しないために、燃料電池セル３の下端部（マニホールド７側））に強い応力が生じ、燃料電池セル３の下端部（マニホールド７側）で割れ等の破損を生じるおそれがある。それにより、セルスタック装置の発電効率が低下するおそれがある。

図５は、本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。

図５に示す端部集電部材２３は、最上端に配置されたユニット（図５では、最上端に配置されたユニットおよびそのユニットに隣り合うユニット）の集電片１６の数が端部集電部材２３の最下端に配置されたユニット（図５では、最下端に配置されたユニットおよびそのユニットに隣り合うユニット）の集電片１６の数よりも少なくなっている。その他の構成は端部集電部材４ｂと同様であり、複数のユニットの集電片１６のセル長手方向における長さ（以下、集電片の高さと略す場合がある。）は同じである。

それにより、端部集電部材２３と燃料電池セル３との端部集電部材２３の上端部側と燃料電池セル３の上端部側の接続面積が小さくなり、燃料電池セル３の変化量（伸びおよび反り）が大きい場合においても、燃料電池セル３の変形に柔軟に追従することができる。

また、集電片１６がセル幅方向に沿った帯状の形状を有することから、燃料電池セル３に伸びが生じても、燃料電池セル３の変形を拘束することがなく、燃料電池セル３および集電片１６に過剰な応力が生じることを抑制することができる。それにより、燃料電池セル３が破損することを抑制することができるとともに、集電片１６が燃料電池セル３から剥離することを抑制することができる。

さらに、集電片１６と枠状部１５とを接続する第１接続部１７および第２接続部１８が、燃料電池セル３側に突出する形状を有することから、端部集電部材２３が燃料電池セル３の変形（特には反り）に対して柔軟に追従することができる。

なお、各ユニットは導電性連結片１９により接続されるが、それぞれのユニットは、セル幅方向における中央部にて連結されることが好ましい。それにより、端部集電部材２３の長手方向における剛性を低下させることができ、燃料電池セル３の変形（特には伸び）に柔軟に追従することができる。

また、図５（ｂ）に示すように、隣り合う集電片１６の間に導電部材接続部２４を設けてもよい。導電部材接続部２４を設けることにより、端部集電部材２３と導電部材５との接続面積を増加させることができ、発電効率の向上したセルスタック装置１とすることが
できる。

なお、ここで集電片１６とは、端部集電部材４ｂのうち燃料電池セル３と接続（接触）する部位をいい、図中の点で塗られた部位が相当する。

図６は、本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。

図６に示す端部集電部材２５は、最上端に配置されたユニット（図６では、最上端に配置されたユニットおよびそのユニットに隣り合うユニット）における枠状部１５のセル長手方向の長さ（以下、ユニットの高さと略す場合がある。）が、最下端に配置されたユニット（図６では、最下端に配置されたユニットおよびそのユニットに隣り合うユニット）のユニットの高さよりも長くなっている。その他の構成は端部集電部材４ｂと同様であり、複数のユニットの集電片１６の高さ、集電片１６の数および各ユニットの集電片１７の間隔が同じである。

それにより、変形量の大きい燃料電池セル３の上端部側においても、端部集電部材２５が変形に柔軟に追従することができ、燃料電池セル３と端部集電部材２５との剥離を抑制することができる。

なお、集電片１６の間隔とは、各ユニット内の集電片１６の間隔を示し、各ユニットを構成する集電片１６の数が等しい場合、ユニットの高さが長くなれば、集電片１６の間隔も長くなる。

図７は、本発明のセルスタック装置を構成する端部集電部材のさらに他の一例を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）正面図である。

図７に示す端部集電部材２６は、最上端に配置されたユニット（図７では、最上端に配置されたユニットおよびそのユニットに隣り合うユニット）と接続される導電性連結片１９におけるセル長手方向の長さ（以下、導電性連結片１９の高さと略す場合がある。）が、最下端に配置されたユニット（図７では、最下端に配置されたユニットおよびそのユニットに隣り合うユニット）と接続される導電性連結片１９の高さよりも長い構成となっている。その他の構成は端部集電部材４ｂと同様であり、導電性連結片１９のセル幅方向における長さが同じである。

それにより、端部集電部材２６の上端部側の剛性を低くすることができ、燃料電池セル３の変形に柔軟に追従することができる。また、同じユニット形状を有しているため、端部集電部材２６を容易に作成することができる。

なお、端部集電部材２３、２５においても、端部集電部材２３、２５の上端における導電性連結片１９の高さを端部集電部材２３、２５の中央部側および下端部側よりも長くしてもよい。それにより、端部集電部材２３、２５をさらに燃料電池セル３の変形に追従させることができる。

また、ユニットを構成する集電片１６の数を端部集電部材の上端に向けて漸次少なくしてもよいし、ユニットの高さや導電性連結部の高さを端部集電部材の上端に向けて漸次長くしてもよい。その場合においても、燃料電池セル３の変形に端部集電部材２３、２５、２６が柔軟に追従することができる。

なお、段部集電部材の上端および下端とはその近傍まで含み、図６や図７のように上端
に配置されたユニットと隣り合うユニットを含んでもよく、適宜設定すればよい。

図８は、本発明の燃料電池モジュール３０の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器３１の内部に、本発明のセルスタック装置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３２をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器３２で生成された燃料ガスは、ガス流通管３３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燃料ガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図８においては、収納容器３１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３２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図８に示した燃料電池モジュール３０においては、セルスタック装置１を、収納容器３１内にスライドして収納することが可能である。

また収納容器３１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材３４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、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の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、燃料電池セル３の燃料ガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃料電池セル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ことができ、セルスタック装置１の起動を早めることができる。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を燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された改質器３２を温めることができる。それにより、改質器３２で効率よく改質反応を行うことができる。

このような燃料電池モジュール３０においては、上述したように、発電効率の向上したセルスタック装置１を収納容器３１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モジュール３０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３０と、燃料電池モジュール３０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４０は、支柱４１と外装板４２から構成される外装ケース内を仕切板４３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３０を収納するモジュール収納室４４とし、下方側を燃料電池モジュール３０を動作させるための補機を収納する補機収納室４５として構成されている。なお、補機収納室４５に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４３には、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４５を構成する外装板４２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、上述したように、発電効率の向上した燃料電池モジュール３０をモジュール収納室４４に収納し、燃料電池モジュール３０を動作させるための補機を補機収納室４５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４０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、燃料電池セル３内の燃料ガス流路１３に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、燃料ガス流路１３に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を空気極層１０とし、外側電極層を燃料極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。

１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４ａ：集電部材
４ｂ，２０，２３，２５，２６：端部集電部材
５：導電部材
６：電流引出部
７：マニホールド
１５：枠状部
１６：集電片
１７：第１接続部
１８：第２接続部
１９：導電性連結部
３０：燃料電池モジュール
４０：燃料電池装置

Claims (5)

1. 複数個の柱状の燃料電池セルを集電部材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なるセルスタックと、
   該セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から端部集電部材を介して挟持するように配置された導電部材と、
   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反応ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置において、
   前記端部集電部材は、
   前記導電部材と接続された枠状部と、
   該枠状部に対して間隔をあけて配置され、かつ前記燃料電池セルに接続された、該燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、
   前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の一方側と前記集電片の他方側とを接続する第１接続部と、
   前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の他方側と前記集電片の一方側とを接続する第２接続部とを一つのユニットとして、前記燃料電池セルの長手方向に、前記複数のユニットが複数配置され、該ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなり、
   前記集電片の前記燃料電池セルの長手方向における長さが同じであるとともに、最上端に配置された前記ユニットの前記集電片の数が、前記端部集電部材の最下端に配置された前記ユニットの前記集電片の数よりも少ないことを特徴とするセルスタック装置。
2. 複数個の柱状の燃料電池セルを集電部材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なるセルスタックと、
   該セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から端部集電部材を介して挟持するように配置された導電部材と、
   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反応ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置において、
   前記端部集電部材は、
   前記導電部材と接続された枠状部と、
   該枠状部に対して間隔をあけて配置され、かつ前記燃料電池セルに接続された、該燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、
   前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の一方側と前記集電片の他方側とを接続する第１接続部と、
   前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の他方側と前記集電片の一方側とを接続する第２接続部とを一つのユニットとして、前記燃料電池セルの長手方向に、前記複数の
   ユニットが複数配置され、該ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなり、
   前記端部集電部材は、前記集電片の前記燃料電池セルの長手方向における長さ、前記ユニットの前記集電片の数および隣接する前記集電片間の間隔が同じであるとともに、
   最上端に配置された前記ユニットの前記枠状部の前記燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置された前記ユニットの前記枠状部の前記燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことを特徴とするセルスタック装置。
3. 複数個の柱状の燃料電池セルを集電部材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なるセルスタックと、
   該セルスタックを前記燃料電池セルの配列方向における両端から端部集電部材を介して挟持するように配置された導電部材と、
   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反応ガスを供給するためのマニホールドとを具備するセルスタック装置において、
   前記端部集電部材は、
   前記導電部材と接続された枠状部と、
   該枠状部に対して間隔をあけて配置され、かつ前記燃料電池セルに接続された、該燃料電池セルの幅方向に沿って延びる帯状の集電片と、
   前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の一方側と前記集電片の他方側とを接続する第１接続部と、
   前記燃料電池セルの幅方向における前記枠状部の他方側と前記集電片の一方側とを接続する第２接続部とを一つのユニットとして、前記燃料電池セルの長手方向に、前記複数のユニットが複数配置され、該ユニットの前記枠状部を導電性連結片により接続してなり、
   前記端部集電部材は、前記導電性連結片の前記燃料電池セルの幅方向における長さが同じであるとともに、
   最上端に配置された前記ユニットに接続されている前記導電性連結片の前記燃料電池セルの長手方向における長さが、最下端に配置された前記ユニットに接続されている前記導電性連結片の前記燃料電池セルの長手方向における長さよりも長いことを特徴とするセルスタック装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載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燃料電池モジュール。
5. 請求項４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動作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