JP2011113828A - セルスタック装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】端部集電部材の劣化を抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置および燃料電池モジュールならびに燃料電池装置を提供する。
【解決手段】本発明のセルスタック装置１は、内部に燃料ガス流路１３を備え、燃料電池セル３を集電部材４を介して複数個立設させた状態で配列して、発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタック２と、セルスタック２を両端から挟持するように配置されている導電部材５と、燃料電池セル３の一端部側を固定し、燃料ガスを供給するためのマニホールド７とを備えるセルスタック装置１であって、導電部材５が、電流引出部６を燃料電池セル３の長手方向に間隔をあけて複数有することから、電流引出部６の電流集中を抑制でき、長期信頼性の向上したセルスタック装置１および燃料電池モジュール２０ならびに燃料電池装置２５とすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数個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るセルスタック装置およびそれを収納してなる燃料電池モジュール、ならびに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燃料電池セルを集電部材を介して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の両端を端部集電部材を介して導電部材により挟持された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（例えば、特許文献１参照。）。

図６は、従来のセルスタック装置を構成する導電部材４０を抜粋して示す斜視図である。導電部材４０は、平板部４２とその両側縁から屈曲した一対の側板部４３とを具備するとともに、燃料電池セル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４１を平板部４２の下端部に備えている。

特開２００３−３０８８５７号公報

ところで、図６に示す導電部材４０は外部に電流を引き出すための電流引出部４１が平板部４２の下端部にのみ設けられているため、端部に配置された集電部材（端部集電部材）の電流引出部４１に対応する部位に、電流が集中して流れるおそれがある。ここで、電流が集中して流れた部位は温度が上昇し、電気的に抵抗の高い酸化被膜が形成され、さらに温度が上昇することに伴って、より電流が集中して流れるおそれがある。

それにより、端部集電部材の電流引出部４１に対応する部位は、電流が集中して流れ続けることにより劣化し、電気的に抵抗の高い酸化被膜が形成され、セルスタック装置の長期信頼性が低下するおそれがある。

それゆえ、本発明の目的は、端部集電部材の電流引出部に対応する部位に、電流が集中して流れることを抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置および燃料電池モジュールならびに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、内部に長手方向に沿って燃料ガスを一端部から他端部へ流すための燃料ガス流路を備え、前記燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、前記燃料電池セルの他端部側において、発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させる構成のセルスタックと、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挟持するように配置されている導電部材と、前記燃料電池セルの一端部側を固定するとともに、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドとを備えるセルスタック装置であって、前記導電部材が、外部に電流を引き出すための電流引出部を前記燃料電池セルの長手方向に間隔をあけて複数有す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、導電部材が外部に電流を引き出すための電流引出部を燃料電池セルの長手方向に間隔をあけて複数有することから、それぞれの電流引出部に電流が分散して流れることとなり、特定の電流引出部に電流が集中して流れることを抑制することができる。それにより、端部集電部材の電流引出部に対応する部位に電流が集中して流れることを抑制することができ、端部集電部材の劣化を抑制できる。そのため、端部集電部材に酸化被膜が形成されることを抑制し、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。

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から、長期信頼性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、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。

また、本発明の燃料電池装置は、前記燃料電池モジュールが、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの両端部に配置され、それぞれの前記電流引出部近傍の温度を測定するための測温部を有する温度測定手段を複数備え、前記補機が、それぞれの前記電流引出部と外部負荷との電気的接続を切り替えるための切替手段と、それぞれの前記温度測定手段により測定された温度に基づいて、それぞれの前記電流引出部と前記外部負荷との電気的接続を切り替えるよう前記切替手段を制御する制御装置とを備えることが好ましい。

このような燃料電池装置においては、制御装置が、温度測定手段により測定された温度に基づいて、それぞれの電流引出部と外部負荷との電気的接続を切り替えるよう切替手段の制御を行なうことから、電流が集中して流れている電流引出部と外部負荷との電気的接続を切り替えることができる。それにより、特定の電流引出部に電流が集中して流れることを抑制することができ、端部集電部材の劣化を抑制できる。それにより、端部集電部材に酸化被膜が形成されることを抑制し、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。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、それぞれの前記温度測定手段により測定された温度が、それぞれの前記温度測定手段において予め設定された所定温度範囲を上回った場合に、当該前記温度測定手段に対応する前記電流引出部と前記外部負荷との電気的接続を遮断するよう制御手段を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、制御装置が、それぞれの温度測定手段により測定された温度が、それぞれの温度測定手段において予め設定された所定温度範囲を上回った場合に、当該温度測定手段に対応する電流引出部と外部負荷との電気的接続を遮断するよう制御手段を制御することから、所定温度範囲を上回った電流引出部に電流が流れず、他の電流引出部に電流が分散して流れることとなる。それにより、端部集電部材の劣化を抑制することができる。それにより、端部集電部材に酸化被膜が形成されることを抑制し、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。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、それぞれの前記温度測定手段により測定された温度が、それぞれの前記温度測定手段において予め設定された前記所定温度範囲を所定時間継続して上回った場合に、当該前記温度測定手段に対応する前記電流引出部と前記外部負荷との電気的接続を遮断するよう制御手段を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置においては、制御装置が、それぞれの温度測定手段により測定された温度が、それぞれの温度測定手段において予め設定された所定温度範囲を所定時間継続して上回った場合に、当該温度測定手段に対応する電流引出部と外部負荷との電気的接続を遮断するよう制御手段を制御することから、電流引出部と外部負荷との電気的接続が頻繁に遮断されることを抑制できる。それにより、電流引出部と外部負荷との電気的接続を効率よく行なうことができる燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記外部負荷との電気的接続が遮断された前記電流引出部と対応する前記温度測定手段により測定された温度が、予め設定された前記所定温度範囲内となった場合に、前記電流引出部と前記外部負荷とを電気的に接続するよう制御手段を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置は、制御装置が、外部負荷との電気的接続が遮断された電流引出部と対応する温度測定手段により測定された温度が、予め設定された所定温度範囲内となった場合に、電流引出部と外部負荷とを電気的に接続するよう制御手段を制御することから、電流引出部と外部負荷との電気的接続を効率よく行なうことができる燃料電池装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記制御装置は、前記外部負荷との電気的接続が遮断された前記電流引出部と対応する前記温度測定手段により測定された温度が予め設定された前記所定温度範囲内を所定時間継続した場合に、前記電流引出部と前記外部負荷とを電気的に接続するよう制御手段を制御することが好ましい。

このような燃料電池装置は、制御装置が、温度測定手段により測定された温度が、予め設定された所定温度範囲内を所定時間継続した場合に、電流引出部と外部負荷とを電気的に接続するよう制御手段を制御することから、電流引出部と外部負荷との電気的接続の遮断と導通を頻繁に繰り返すことを抑制することができる。それにより、電流引出部と外部負荷との電気的接続を効率よく行なうことができる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、導電部材が外部に電流を引き出すための電流引出部を燃料電池セルの長手方向に間隔をあけて複数有することから、それぞれの電流引出部に電流が分散して流れることとなり、特定の電流引出部に電流が集中して流れることを抑制することができる。それにより、端部集電部材の電流引出部に対応する部位に電流が集中して流れることを抑制することができ、端部集電部材の劣化を抑制することができる。それにより、端部集電部材に酸化被膜が形成されることを抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。

また、上記のセルスタック装置を収納容器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とすることができ、上記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、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。

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の概略を示す側面図、（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における導電部材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。 本発明の燃料電池装置の構成の一部を概略的に示すブロック図である。 従来の導電部材の一例を示す斜視図である。

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の概略を示す側面図、（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側電極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての酸素側電極層１０とをこの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４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、燃料電池セル３の下端部（一端側）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に固定されている。なお、燃料側電極層８、固体電解質層９および酸素側電極層１０がこの順に積層された部位（以下、発電部と略す場合がある。）において発電が行なわれる。そして、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を燃料電池セル３の上端部側（他端側）にて燃焼させることで、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、効率のよい発電を行なうことができる。なお、以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料側電極層８とし、外側電極層を酸素側電極層１０として説明する。

また、セルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向の両端から端部集電部材４ｂ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に下端が固定された導電部材５を具備している。

図１に示す導電部材５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。）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が燃料電池セル３の長手方向（以下、セル長手方向と略す場合がある。）に複数設けられている。

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）を流すためのガス流路１３が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に示す燃料電池セル３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、両者の接触がオーム接触となり、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を燃料側電極層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および酸素側電極層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、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化ジルコニアも含む）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。

酸素側電極層１０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、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。酸素側電極層１０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、耐還元性およ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は支持体１２に形成されたガス流路１３を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３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。

なお、インターコネクタ１１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。

支持体１２としては、燃料ガスを燃料側電極層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。

また図１に示した燃料電池セル３において、柱状の支持体１２は、燃料電池セル３の立設方向に細長く延びる板状片であり、一対の対向する平坦面と半円形状の両側面を有する中空平板状である。そして燃料電池セル３の下端部と後述する導電部材５（板状部２２）の下端部とが、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、例えば耐熱性に優れた接合材（ガラスシール材等）によって固定され、支持体１２に設けられたガス流路１３が、マニホールド７内の燃料ガス室（図示せず）に通じている。なお、以降の説明において、中空平板状の燃料電池セル３を用いて説明する。

ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層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、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ_２Ｏ_３等の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、燃料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、特に好ましくは４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることがよい。

さらに、Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属の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酸化物（ＬａＣｒＯ_３）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３）、ＬａＭｎＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ_３）、ＬａＦｅＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ_３）、ＬａＣｏＯ_３系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ_３）の少なくとも１種から構成することが好ましく、特に６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物から構成することが特に好ましい。なお、ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在してもよいこのようなＰ型半導体層１４の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

そして、それぞれの燃料電池セル３は集電部材４を介して電気的に直列に接続される。なお、集電部材４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型酸化物等を用いてコーティングすることが好ましい。

なお、集電部材４の長手方向の長さおよび幅方向の長さは発電部（インターコネクタ１１）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、セルスタック２の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。

なお、燃料電池セル３間に配置されるセル間集電部材４ａと端部集電部材４ｂとは、同じ形状の部材を用いることができる。その場合においては、セルスタック装置を構成する部材の数を減らすことができる。また、セル間集電部材４ａと端部集電部材４ｂとを異なる形状の部材を用いることもできる。なお、セル間集電部材４ａと端部集電部材４ｂとをまとめて集電部材４という場合がある。

図２は、図１における導電部材５を抜粋して示した斜視図である。

導電部材５は、板部材からなる平板部１６と、平板部１６の両側縁から屈曲した一対の側板部１７と、下端部に設けられたガラスシール中に埋設する埋設部１８と、セルスタック２で発電した電力を外部に引き出すための複数の電流引出部６とを有している。

平板部１６は、電流引出部６が設けられていない主面が端部集電部材４ｂと導電性接着剤により接続されるため、平板部１６の上端は端部集電部材４ｂの上端と同程度に位置することが好ましく、平板部１６の幅も端部集電部材４ｂと同程度の幅であることが好ましい。それにより、端部集電部材４ｂを流れた電流を効率よく集電することができる。

側板部１７は平板部１６の両側縁に配置され、セル配列方向の外側に向けて設けられており、平板部１６の剛性を高めている。それにより、セルスタック２のハンドリング性を高めることができる。なお、側板部１７は板部材の両側縁を折り曲げることにより平板部１６と一体的に作製することができ、容易に側板部１７を設けることができる。なお、板部材に別の部材を接合させて側板部１７を設けてもよい。

埋設部１８は、平板部１６の下端部に設けられ、導電部材５がガラスシールにてマニホールド７に固定される際に、ガラスシール内に埋設される。そのため、導電部材５をマニホールド７に強固に固定することができる。埋設部１８は、平板部１６の下端部側を折り曲げて作製してもよいし、平板部１６の下端部に別部材を接合させて設けてもよい。

電流引出部６は、平板部１６の端部集電部材４ｂと接合されていない面のセル長手方向に間隔をあけてセル配列方向の外側に向けて複数設けられている。図２に示す導電部材５においては、上端部電流引出部６ａ、中央部電流引出部６ｂおよび下端部電流引出部６ｃと３つの電流引出部６が設けられている。

ここで、図６に示す従来の導電部材４０においては、電流引出部４１が平板部４２の下端部に１つのみ設けられており、セルスタックにて発電された電流を外部に引き出す際に、端部集電部材の電流引出部４１に対応する部位（端部集電部材の電流引出部４１と同等の高さに位置する部位）に、電流が集中して流れることにより端部集電部材の一部に劣化が生じ、端部集電部材の一部に酸化被膜が形成され、セルスタック装置の長期信頼性が低下するおそれがあった。

また、端部集電部材の一部（電流が集中して流れる部位。以下、電流集中部という場合がある。）が高温になることにより、端部集電部材と接続される燃料電池セルにおいても熱による劣化が生じ、セルスタック装置の長期信頼性が低下するおそれがあった。

本発明のセルスタック装置１においては、導電部材５が所定の間隔をあけて複数の電流引出部６を有することから、特定の電流引出部６に電流が集中することを抑制することができ、端部集電部材４ｂが劣化することを抑制することができる。それにより、端部集電部材４ｂに酸化被膜が形成されることを抑制し、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。

電流引出部６は、セル長手方向に間隔をあけて設けられているが、好ましくは、平板部１６の上端部、中央部および下端部にそれぞれ距離をあけて設けることが好ましい。それにより、電流引出部６同士の間隔を広げることができ、端部集電部材４ｂの電流集中部に流れる電流の量を小さくすることができる。

なお、電流引出部６は、平板部１６にそれぞれ板部材を溶接により接合することで作製することができるほか、上端部電流引出部６ａおよび下端部電流引出部６ｃにおいては平板部１６を折り曲げて作製することもできる。

導電部材５は、弾性を有する金属または合金からなる部材等により構成することができるが、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、導電部材５の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有する導電性のペロブスカイト型酸化物等を用いてコーティングすることが好ましい。

なお、図３に示す導電部材５では、電流引出部６をセル長手方向に３つ設けた例を示したが、４つ以上設けてもよい。その場合においても、各電流引出部６に対応する端部集電部材４ｂの部位に流れこむ電流の量を分散することができ、端部集電部材４ｂに酸化被膜が生じることを抑制することができる。

また、導電部材５においては、セル長手方向にのみ電流引出部６を設けた例を示したが、燃料電池セル３の幅方向に電流引出部６を設けてもよい。その場合においても、各電流引出部６に対応する端部集電部材４ｂの部位に流れ込む電流の量を分散させることができる。

図３は、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り、直方体状の収納容器２１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２２をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２３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ガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図３においては、収納容器２１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２２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示した燃料電池モジュール２０においては、セルスタック装置１を、収納容器２１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２１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２４は、図３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２２を温めることができる。それにより、改質器２２で効率よく改質反応を行なうことができる。

このような燃料電池モジュール２０においては、上述したように、長期信頼性の向上したセルスタック装置１を収納容器２１に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２０とすることができる。

図４は、外装ケース内に図３で示した燃料電池モジュール２０と、燃料電池モジュール２０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４においては一部構成を省略して示している。

図４に示す燃料電池装置２５は、支柱２６と外装板２７から構成される外装ケース内を仕切板２８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２０を収納するモジュール収納室２９とし、下方側を燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を収納する補機収納室３０として構成されている。なお、補機収納室３０に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板２８には、補機収納室３０の空気をモジュール収納室２９側に流すための空気流通口３１が設けられており、モジュール収納室２９を構成する外装板２７の一部に、モジュール収納室３０内の空気を排気するための排気口３２が設けられている。

このような燃料電池装置２５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２０をモジュール収納室２９に収納し、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を補機収納室３０に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置２５とすることができる。

図５は本発明の燃料電池装置の構成の一部を概略的に示すブロック図である。

燃料電池装置２５は、セルスタック２のセル配列方向における両端部に配置され、導電部材５に設けられたそれぞれの電流引出部６ａ〜６ｆ近傍（それぞれの電流引出部６ａ〜６ｆと同等の高さ）における温度を測定する側温部（図示せず）を有する温度測定手段３８ａ〜３８ｆをそれぞれ有している。それぞれの電流引出部６ａ〜６ｆはそれぞれのスイッチ３９ａ〜３９ｆと接続され、それぞれのスイッチ（制御手段）３９ａ〜３９ｆがパワーコンディショナー３６と接続されており、パワーコンディショナー３６が外部負荷３７と接続されている。そして、温度測定手段３８ａ〜３８ｆで測定された温度に基づいて、それぞれのスイッチ３９ａ〜３９ｆを切り替える制御を行なう制御装置３５を備えている。

なお、側温部はそれぞれの電流引出部６ａ〜６ｆ近傍（それぞれの電流引出部６ａ〜６ｆと同等の高さ）に設ければよいが、具体的には、それぞれの電流引出部６ａ〜６ｆと同等の高さに位置し、導電部材５の平板部１７の側縁と所定の間隔をあけて配置させればよい。所定の間隔とは１〜１０ｃｍを例示することができるが、実施の形態に基づいて適宜設定すればよい。

燃料電池装置２５が定常運転している場合は、すべての電流引出部６ａ〜６ｆから電流が引き出されており、すべてのスイッチ（制御手段）３９ａ〜３９ｆは外部負荷３７と電気的に接続するように制御されている。

一方、温度測定手段３８ａ〜３８ｆにより測定された温度が、それぞれの温度測定手段３８ａ〜３８ｆにおいて予め設定された所定温度範囲を上回った場合には、その上回った温度測定手段に対応する電流引出部に電流が集中し、端部集電部材４ｂに酸化被膜が生じることで、端部集電部材４ｂが劣化するおそれがある。

それゆえ、本発明の燃料電池装置２５においては、制御装置３５が、温度測定手段３８ａ〜３８ｆにより測定された温度に基づいて、それぞれの電流引出部６ａ〜６ｆと外部負荷３７との電気的接続を切り替える制御を行なう。以下に制御装置３５における制御について、温度測定手段３８ａ、スイッチ３９ａ、電流引出部６ａを用いて説明する。

例えば、温度測定手段３８ａにて測定された温度情報が制御装置３５に伝送される。制御装置３５は、温度測定手段３８ａにて測定された温度が、予め設定された所定温度範囲内であるか否かを検知する。ここで、温度測定手段３８ａにて測定された温度が予め設定された所定温度範囲内であると判断された場合には、電流引出部６ａと外部負荷３７とを継続して電気的に接続するようにスイッチ（制御手段）３９ａの動作を制御する。

一方、温度測定手段３８ａにて測定された温度が、予め設定された所定温度範囲を上回ったと判断される場合には、制御装置３５は、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続を遮断するようにスイッチ３９ａの動作を制御する。

それにより、電流引出部６ａからの電流の引出しが停止することから、電流引出部６ａに電流が流れることを防止でき、電流引出部６ａに対応する端部集電部材４ｂにおいて電流集中部に電流が流れることを防止できる。それにより、端部集電部材４ｂの電流引出部６ａに対応する電流集中部の劣化を抑制することができる。

なお、制御装置３５において、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続を遮断するようにスイッチ３９ａの動作を制御するにあたっては、温度測定手段３８ａにて測定された温度が、予め設定された所定温度範囲を所定時間継続して上回った場合に、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続を遮断するようにスイッチ３９ａの動作を制御することが好ましい。

それにより、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続が頻繁に遮断されることを抑制でき、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続を効率よく行なうことができる。また、併せてスイッチ３９ａに過剰な負荷が生じることを抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池装置２５とすることができる。

ここで、外部負荷３７との電流引出部６ａとの電気的な接続の遮断に伴って、温度測定手段３８ａにて測定される温度が低下し、温度測定手段３８ａにて測定された温度が、予め設定された所定温度範囲内となる場合がある。このような場合においては、電流引出部６ａに対応する端部集電部材４ｂの部位において電流集中部が生じていない（もしくは抑制されている）と判断できることから、電流引出部６ａと外部負荷３７とを電気的に接続（再接続）することが好ましい。

具体的には、制御装置３５は、温度測定手段３８ａにて測定され伝送された温度情報が、予め設定された所定温度範囲内であると判断された場合には、電流引出部６ａに対応する端部集電部材４ｂの部位において電流集中部が生じていない（もしくは抑制されている）と判断し、電流引出部６ａと外部負荷３７とを電気的に接続（再接続）するようにスイッチ３９ａの動作を制御する。

それにより、電流引出部６ａが外部負荷３７と再接続されることとなり、セルスタック２の発電により生じた電流を電流引出部６ａ〜６ｃに分散して流すことができ、外部負荷３７に効率よく電流を供給することができる。また併せて、セルスタック２の発電により生じた電流を電流引出部６ａ〜６ｃに分散して流すことができることから、電流引出部６ａが電気的に遮断されていた時にくらべ、端部集電部材４ｂに電流集中部が生じることを抑制することができる。

それにより、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続を効率よく行なうことができる燃料電池装置２５とすることができる。

また、電流引出部３６ａと外部負荷３７と再接続する場合においても、温度測定手段３８ａにて測定された温度が、予め設定された所定温度範囲内を所定時間継続した場合に、再接続するように制御することが好ましい。それにより、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続が頻繁に再接続されることを抑制でき、電流引出部６ａと外部負荷３７との電気的接続を効率よく行なうことができる。また、併せてスイッチ３９ａに過剰な負荷が生じることを抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池装置２５とすることができる。

なお、所定時間は燃料電池モジュールに合わせて適宜設定すればよく、燃料電池モジュール２０においては、所定時間を１分〜１０分とすればよい。

ところで、温度測定手段３８ａ〜ｆにおける予め設定された温度範囲は、セルスタック装置１や燃料電池モジュール２０の構造等に基づいて適宜設定することができる。

例えば図３に示す燃料電池モジュール２０においては、発電に使用されなかった燃料ガスを燃料電池セル３の上端側で燃焼させるとともに、燃料電池セル３の下端部側に温度の低い酸素含有ガスが供給される構成となっている。それにより、セルスタック２においては、上端部側の温度が高く下端部側に向かうにつれて温度が低くなる温度分布となる。

それゆえ、図３に示す燃料電池モジュールにおいては、セルスタック２の上端部側に配置された温度測定手段３８ａ、３８ｄにおいて設定される所定の温度範囲（下限値もしくは上限値）を、セルスタック２の下端部側に配置された温度測定手段３８ｃ、３８ｆにおいて設定される温度範囲（下限値もしくは上限値）よりも高い温度とすることが好ましい。より好ましくは、セルスタック２の上端部側より下端部側に向かうにつれて、温度測定手段３８ａ〜ｆにおける温度範囲（下限値もしくは上限値）が低くなるように設定することが好ましい。

具体的には、例えば図３に示す燃料電池モジュール２０においては、セルスタック２の上端部側に配置された温度測定手段３８ａ、３８ｄの所定温度範囲は、７５０〜８００℃に設定することができ、より好ましくは７６０〜７９０℃に設定することができる。

また、セルスタック２の中央部側（燃料電池セル３の長手方向における中央部側）に配置された温度測定手段３８ｂ、３８ｅの所定温度範囲は、７３０〜７８０℃に設定することができ、より好ましくは７４０〜７７０℃に設定することができる。

さらに、セルスタック２の下端部側に配置された温度測定手段３８ｃ、３８ｆの所定温度範囲は、７１０〜７６０℃に設定することができ、より好ましくは７２０〜７５０℃に設定することができる。

上記のように所定温度範囲の幅を５０℃とすることで、電流引出部６ａ〜６ｆと外部負荷３７との電気的な接続が頻繁に切り替わることを抑制することができ、所定の温度範囲の幅を３０℃とすることで、各電流引出部６の電流集中に対して柔軟に制御することができ、電流引出部６に対応する端部集電部材４ｂの部位に流れこむ電流の量を減少することができ、端部集電部材４ｂの劣化を抑制することができる。

なお、温度測定手段３８とは、１０００℃程度の高温に耐えうる温度センサや熱電対など一般的に用いられるものでよい。

また、制御装置３５自体が、電流引出部６ａ〜６ｆと外部負荷３７との電気的接続を切り替える制御を行なってもよい。この場合においては、スイッチ（制御手段）３９を設けなくてもよく、燃料電池装置２５のコストを低減することができる。

さらに、パワーコンディショナー３６と電流引出部６ａ〜６ｆとをスイッチ（制御手段）３９を設けずに直接接続し、パワーコンディショナー３６において電気的接続を制御してもよい。この場合においても、スイッチ（制御手段）３９を設けなくてもよく、燃料電池装置２５のコストを低減することができる。

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、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、内側電極層を酸素側電極層１０とし、外側電極層を燃料側電極層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
４：集電部材
４ａ：セル間集電部材
４ｂ：端部集電部材
５，４０：導電部材
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，４１：電流引出部
７：マニホールド
１６：平板部
１７：側板部
１８：埋設部
２０：燃料電池モジュール
２５，３４：燃料電池装置
３５：制御装置
３６：パワーコンディショナー
３７：外部負荷
３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，３８ｄ，３８ｅ，３８ｆ：温度測定手段
３９ａ，３９ｂ，３９ｃ，３９ｄ，３９ｅ，３９ｆ：スイッチ

Claims (8)

1. 内部に長手方向に沿って燃料ガスを一端部から他端部へ流すための燃料ガス流路を備え、前記燃料ガスと酸素含有ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、前記燃料電池セルの他端部側において発電に使用されなかった前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させる構成のセルスタックと、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挟持するように配置されている導電部材と、前記燃料電池セルの一端部側を固定するとともに、前記燃料電池セルに前記燃料ガスを供給するためのマニホールドとを備えるセルスタック装置であって、
   前記導電部材が、外部に電流を引き出すための電流引出部を前記燃料電池セルの長手方向に間隔をあけて複数有することを特徴とするセルスタック装置。
2. 請求項１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。
3. 請求項２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に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。
4. 前記燃料電池モジュールが、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの両端部に配置され、それぞれの前記電流引出部近傍の温度を測定するための測温部を有する温度測定手段を複数備え、
   前記補機が、それぞれの前記電流引出部と外部負荷との電気的接続を切り替えるための切替手段と、それぞれの前記温度測定手段により測定された温度に基づいて、それぞれの前記電流引出部と前記外部負荷との電気的接続を切り替えるよう前記切替手段を制御する制御装置とを備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記制御装置は、それぞれの前記温度測定手段により測定された温度が、それぞれの前記温度測定手段において予め設定された所定温度範囲を上回った場合に、当該温度測定手段に対応する前記電流引出部と前記外部負荷との電気的接続を遮断するよう前記切替手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記制御装置は、それぞれの前記温度測定手段により測定された温度が、それぞれの前記温度測定手段において予め設定された前記所定温度範囲を所定時間継続して上回った場合に、当該前記温度測定手段に対応する前記電流引出部と前記外部負荷との電気的接続を遮断するよう前記切替手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
7. 前記制御装置は、前記外部負荷との電気的接続が遮断された前記電流引出部と対応する前記温度測定手段により測定された温度が、予め設定された前記所定温度範囲内となった場合に、前記電流引出部と前記外部負荷とを電気的に接続するよう前記切替手段を制御することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池装置。
8. 前記制御装置は、前記外部負荷との電気的接続が遮断された前記電流引出部と対応する前記温度測定手段により測定された温度が、予め設定された前記所定温度範囲内を所定時間継続した場合に、前記電流引出部と前記外部負荷とを電気的に接続するよう前記切替手段を制御することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池装置。

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