JP5441468B2 - 燃料電池セルスタック装置、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燃料電池セルスタックを備える燃料電池セルスタック装置およびそれを具備す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燃料電池セルスタック装置を収納容器に収納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、燃料電池装置を構成する従来の燃料電池セルスタック装置５１を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置５１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置５１の点線枠で囲った部分の一部拡大平面図である。この燃料電池セルスタック装置５１は、複数個のガス流路６３を有する柱状の燃料電池セル５３を集電部材５４を介して立設した状態で配列するとともに、燃料電池セル５３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５７に固定されている。

図７は、図６で示した従来の燃料電池セルスタック装置５１を構成する集電部材５４を抜粋して示し、（ａ）は一部を拡大して示す斜視図、（ｂ）は平面図である。集電部材５４は、板状の部材の一端部より（図７においては右側より）、燃料電池セル５３の幅方向に沿って複数のスリットをほぼ平行に形成し、スリット間の集電片６６を隣接する燃料電池セル５３側に交互に突出させて接触させることにより、燃料電池セル５３同士が電気的に接続される。なお、符号６５は複数の集電片６６の一端部側を接続する接続部である。

また、図８は、従来の集電部材の他の一例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。集電部材６７は、板状の部材に、燃料電池セル５３の幅方向に沿って、複数のスリットをほぼ平行に形成し、スリット間の集電片６９を隣接する燃料電池セル５３側に交互に突出させるとともに、集電片６９の両端部が接続部７０により一体的につながったものを基本構成とし、この基本構成を、燃料電池セル５３の上下方向に沿って導電性連結片７１を介して連続的に連結することで形成される。この集電部材６７においても、集電片６９が隣接する燃料電池セル５３に接触することにより、燃料電池セル５３同士が電気的に接続される。

特開２００３−３０８８５７号公報

ところで、上述したような燃料電池セルスタック装置５１において、使用時における熱により各燃料電池セル５３が変形することがある。このような燃料電池セル５３の変形としては、燃料電池セル５３の配列方向に沿って反る変形（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。このように、燃料電池セル５３が変形すると、それに伴って集電部材５４に、燃料電池セル５３の配列方向において引っ張ろうとする力や圧縮するような力が生じる。

ここで、図７で示した集電部材５４は、板状の部材の一端部より（右側より）、燃料電池セル５３の幅方向に沿って複数のスリットが設けられた構成のため、集電片６６は一端部のみが接続部６５と一体的につながった形状である。そのため、集電部材５４の作製時や燃料電池セルスタック装置５１を作製する際に、集電片６６が折れ曲がる等の変形が生じやすく、燃料電池セルスタック装置５１の作製にあたり、ハンドリング性が悪いという問題があった。また、折れ曲がった状態の集電片６６を用いて燃料電池セルスタック装置５１を作製した場合には、燃料電池セル５３と集電片６６との接触面積が減少し、集電効率が悪いという問題もあった。

また、集電部材５４に燃料電池セル５３の変形により圧縮するような力が生じた場合に、集電片６６の接続部６５に接続されていない端部側において、それぞれの集電片６６の燃料電池セル５３の配列方向における距離を保持することができず、燃料電池セル５３と集電片６６とが剥離を生じるおそれがあった。

一方、図８の集電部材６７においては、集電片６９が変形することを抑制でき、ハンドリング性は向上するものの両端が接続部７０とつながっているため、集電部材６７の剛性が高くなり、燃料電池セル５３の変形（反り）が生じた場合に柔軟に追従することができず、燃料電池セル５３と集電片６９（集電部材６７）とが剥離するおそれがあった。

また、燃料電池セル５３の変形（伸び）が生じた場合においても、集電部材６７の剛性が高いため、燃料電池セル５３と集電部材６７とが剥離するおそれがあった。

それゆえ、本発明は、ハンドリング性を向上するとともに、燃料電池セル５３に反りや伸びの変形が生じた場合においても、燃料電池セル５３との剥離が抑制された集電部材を備える燃料電池セルスタック装置およびそれを具備する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を目的とする。

本発明の燃料電池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、前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、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燃料電池セルスタック装置において、前記集電部材は、隣接する一方の前記燃料電池セル側および他方の前記燃料電池セル側にそれぞれ配置された前記燃料電池セルに接触する複数の集電片の一方の端部同士および他方の端部同士をそれぞれ接続部で接続してなる一対の導電体と、一方の前記導電体の一方側の接続部を他方の前記導電体の一方側の接続部に離間させた状態で連結している連結部と、一方の前記導電体の他方側の接続部から他方の前記導電体に向かって延びるとともに、他方の前記導電体に接続固定されていない延伸部とを有し、かつ一方の前記導電体の他方側の接続部と他方の前記導電体の他方側の接続部とが接続固定されていないことを特徴とする。

このような燃料電池セルスタック装置においては、集電部材は、隣接する一方の燃料電池セル側および他方の燃料電池セル側に配置される一対の導電体が、隣接する燃料電池セルと接触するための複数の集電片と、複数の集電片の一方の端部同士および他方の端部同士をそれぞれ接続部で接続してなることから、集電片の変形を抑制することができ、集電部材のハンドリング性を向上することができる。また、一対の導電体が、隣接する一方の燃料電池セル側と他方の燃料電池セル側とに配置されることから、従来の集電部材に比べて、燃料電池セルと接触する集電片の面積を増やすことができ、それにより、燃料電池セルスタックの発電出力を向上させることができる。

また、集電部材は、一方の導電体の一方側の接続部を向かいあう他方の導電体の一方側の接続部に連結している連結部と、一方の導電体の他方側の接続部から他方の導電体に向かって延びるとともに、他方の前記導電体に接続固定されていない延伸部とを有し、かつ一方の前記導電体の他方側の接続部と他方の前記導電体の他方側の接続部とが接続固定されていない。それにより、燃料電池セルの反りに伴って、集電部材を引っ張ろうとする力が生じる場合には、連結部を基点として、それぞれの導電体が燃料電池セルの変形に容易に追従することができる。

また、燃料電池セルの反りに伴って、集電部材のそれぞれの導電体を圧縮するような力が生じる場合には、延伸部が向かい合う導電体と接触するまでは、燃料電池セルの変形に導電体が柔軟に追従することができ、延伸部が向かい合う導電体と接触すると、導電体の他方側（延伸部が設けられた側）の集電片が変形することを抑制することができ、導電体の他方側における導電体間距離を保持することができ、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができる。また、集電体の他方側の接続部同士は接続固定されていないことから、燃料電池セルの変形（伸び）に対しても容易に追従することができる。

それにより、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができることから、燃料電池セルスタックの発電出力の低下を抑制でき、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、前記延伸部が、他方の前記導電体と接触していることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、延伸部が、他方の導電体と接触していることにより、集電部材の保形性を高めることができ、よりハンドリング性を向上することができる。

さらに、延伸部が、他方の導電体と接触していることから、一方の導電体から他方の導電体へ電流が流れやすくなる。それにより、集電効率の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

また、延伸部が他方側の導電体に接続固定されておらず、導電体と接触していることから、集電部材を引っ張ろうとする力が生じた場合に、導電体が燃料電池セルの変形に柔軟に追従することができる。また、集電部材に圧縮するような力が生じた場合には、延伸部が導電体と接触していることから、導電体の他方側（延伸部が設けられた側）の集電片が変形することを抑制できることができ、導電体の他方側における導電体間距離を保持することができ、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、前記延伸部が、他方の前記導電体の他方側の接続部に接触していることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、延伸部が、他方の導電体の他方側の接続部と接触していることにより、集電部材の保形性を高めることができ、さらにハンドリング性を向上することができる。

また、延伸部が接続固定されておらず、他方の導電体の他方側の接続部に接触していることから、集電部材に引っ張ろうとする力が生じた場合には、導電体が燃料電池セルの変形に柔軟に追従することができる。また、集電部材に圧縮するような力が生じた場合には、延伸部が他方の導電体の他方側の接続部に接触していることから、導電体の他方側（延伸部が設けられた側）の集電片が変形することを抑制できることでき、導電体の他方側における導電体間距離を保持することができ、燃料電池セルと集電部材との剥離をより抑制することができる。

さらに、延伸部が、他方の導電体の他方側の接続部に接触していることから、他方の導電体における集電片が、延伸部が接触することによって変形することを抑制することができる。

それにより、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

また、本発明の燃料電池セルスタック装置において、他方の前記導電体の他方側の接続部に一方の前記導電体に向かって延びている延伸部を有するとともに、一方の前記導電体の延伸部に他方の前記導電体の前記延伸部が接続固定されておらず、接触していることが好ましい。

このような燃料電池セルスタック装置においては、他方の導電体の他方側の接続部に一方の導電体に向かって延びている延伸部を有するとともに、一方の延伸部に他方の延伸部が接触していることから、集電部材の保形性を高めることができ、ハンドリング性をさらに向上させることができる。

また、他方の導電体の他方側の接続部に、一方の導電体に向かって延びている延伸部を有するとともに、一方の延伸部と、他方の延伸部とが接続固定されておらず、接触していることから、集電部材に引っ張ろうとする力が生じた場合には、導電体が燃料電池セルの変形に柔軟に追従することができる。また、集電部材に圧縮するような力が生じた場合には、導電体が離間された状態を保ち、導電体の他方側（延伸部が設けられた側）の集電片が変形することを抑制でき、導電体の他方側における導電体間距離を保持することができ、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができる。そのため、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。

さらに、一方の導電体の延伸部と他方の導電体の延伸部が接続固定されず、接触していることから、一方の導電体と他方の導電体に生じる応力を均一に近づけることができ、燃料電池セルの変形により追従することができ、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができる。

それにより、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池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、上記の燃料電池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、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、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池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、電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、燃料電池セルの下端部を固定するとともに、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燃料電池セルスタック装置において、集電部材は、隣接する一方の燃料電池セル側および他方の燃料電池セル側にそれぞれ配置された燃料電池セルに接触する複数の集電片の一方の端部同士および他方の端部同士をそれぞれで接続してなる一対の導電体と、一方の導電体の一方側の接続部を一方側の接続部と向かいあう他方の導電体の一方側の接続部に連結している連結部と、一方の導電体の他方側の接続部から他方の導電体に向かって延びるとともに、他方の前記導電体に接続固定されていない延伸部とを有し、かつ一方の前記導電体の他方側の接続部と他方の前記導電体の他方側の接続部とが接続固定されていないことから、ハンドリング性を向上させるとともに、集電面積を広くすることができる。さらに、それぞれの導電体の他方側の接続部同士は接続固定されていないことから、燃料電池セルの変形（反りや伸び）に容易に追従することができる。それにより、集電部材と燃料電池セルとの剥離を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池セルスタ
ック装置とすることができる。さらに、一方の導電体の他方側の接続部から他方の導電体に向かって延びている延伸部を有することから、集電部材に圧縮するような力が生じる場合に導電体の他方側（延伸部が設けられた側）の集電片が変形することを抑制でき、導電体の他方側における導電体間距離を保持することでき、燃料電池セルと集電部材との剥離を抑制することができる。あわせて、この燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納することで、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、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、信頼性が向上した燃料電池装置とすることができる。

本発明の燃料電池セルスタック装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池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で示す集電部材４を抜粋して示し、（ａ）は展開図、（ｂ）は平面図である。 （ａ）は本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材の他の一例を示す平面図、（ｂ）は本発明の燃料電池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平面図である。 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。 従来の燃料電池セルスタック装置の一例を示し、（ａ）は燃料電池セルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池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。 従来の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材の一例を示し、（ａ）は一部を拡大した斜視図、（ｂ）は平面図である。 従来の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材の他の一例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。

図１は、本発明の燃料電池セルスタック装置１の一例を示したものであり、（ａ）は燃料電池セルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セルスタック装置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。

ここで、燃料電池セルスタック装置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空気側電極層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の複数個を立設するとともに、隣接する燃料電池セル３間に集電部材４を介して電気的に直列に接続して燃料電池セルスタック２を形成し、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に固定している。また、燃料電池セルスタック装置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。）の両端から燃料電池セルスタック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板状の導電部材５を具備している。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、外側電極層を空気側電極層１０として説明する。

さらに、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かって延びた形状で、燃料電池セルスタック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し部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、燃料電池セル３に燃料ガス（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、その一方側の平坦面上に固体電解質層９および空気側電極層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において示す燃料電池セルスタック装置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。

空気側電極層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、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。

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ている板状片であり、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の下端部と導電部材５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、またその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。

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型酸化物（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、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については後述する。

板状の導電部材５は、燃料電池セル３の発電により生じる電流を集電するために導電性であることが必要であり、例えば、ステンレス等にて形成することができる。なお、必要に応じて耐熱性の皮膜を形成したものを利用することもできる。

また、電流引出し部６は燃料電池セル３の形状等により適宜設定することができるが、効率よく電流を引き出す上で、導電部材５の下端部側に設けることが好ましく、導電部材５は、電流引出し部６がマニホールド７に接触しないよう、電流引出し部６との接続部よりも下方側の部位をマニホールド７に固定することが好ましい。なお電流引出し部６を、導電部材５の一部を折り曲げて作製する場合においては、接続部とは折り曲げ部を意味する。また、導電部材５をマニホールド７に固定するにあたり、電流引出し部６との接続部よりも下方側の部位において、板状の両側部から屈曲した一対の側板部を設けることもできる。

図２は、図１で示す集電部材４を抜粋して示し、（ａ）は展開図、（ｂ）は平面図である。図２に示した集電部材４は、複数のスリットが設けられた２組の板状の導電体１５ａ，１５ｂと、それぞれの導電体１５ａ，１５ｂ同士を所定の間隔を空けて連結している連結部１８と、一方の導電体１５ａから他方の導電体１５ｂに延びている延伸部１９とを有する。なお、連結部１８は、一方の導電体１５ａの一方側の接続部１７と、他方の導電体１５ｂの一方側の接続部１７とを連結するため湾曲した形状である。

図２に示す導電体１５ａ，１５ｂは、隣接する燃料電池セル３に当接する複数の集電片１６と、複数の集電片１６の一方側の端部同士および他方側の端部同士をそれぞれ接続する接続部１７とを基本構成とする導電体片を燃料電池セル３の上下方向に導電性連結片２０を介して複数連結して構成されている。

このように、集電片１６の一方側の端部同士および他方側の端部同士が接続部１７により接続されているため、集電部材４のハンドリング性が向上する。また、集電部材４が、２組の板状の導電体１５ａ，１５ｂを有することから、図７，８に示した従来の集電部材５４，６７に比べ燃料電池セル３と接触する集電片１６の数を増やすことができ、それにより集電面積を増やすことができることから、燃料電池セルスタック装置１の発電出力を向上させることができる。

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燃料電池セルスタック装置１においては、燃料電池セルスタック装置１の発電に伴い、燃料電池セル３がその配列方向に沿って（例えば、空気側電極層１０側に向けて）反る変形（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や燃料側電極層８を構成する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、空気側電極層１０とインターコネクタ１１との熱膨張係数の違いにより、これらの変形量に差が生じ、燃料電池セル３が反りを生じる場合がある。

また、燃料電池セルスタック装置１の発電や、燃料電池セル３の還元処理において、燃料電池セル３が上下方向（下端部がマニホールド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）を生じる場合がある。

ここで、燃料電池セル５３に、反りや伸びといった変形が生じた場合に、図８に示した従来の集電部材６７が柔軟に追従することができずに、燃料電池セル５３と集電部材６７とが剥離するおそれがある。特に、燃料電池セルスタック５２の端部側における集電部材６７においては、導電部材５５の剛性によっては、燃料電池セル５３の配列方向に強い圧縮するような力（以下、圧縮応力と略す場合がある。）や引っ張ろうとする力（以下、引張応力と略す場合がある。）が生じ、燃料電池セル５３と集電部材６７とが剥離するおそれがある。

図２に示す集電部材４においては、一方の導電体１５ａの他方側の接続部１７と、この他方側の接続部１７と向かい合う他方の導電体１５ｂの接続部１７とが接続固定されていないことから、集電部材４の剛性を下げることができ、集電部材４に生じるセル配列方向における引張応力を緩和することができ、燃料電池セル３と集電部材４との剥離を抑制することができる。

また、図７に示す集電部材５４にセル配列方向における圧縮応力が生じると、集電片６６の接続部６５に接続されていない端部側が変形しやすくなり、それぞれの集電片６６のセル配列方向における距離を保持することができず、集電片６６（集電部材５４）が燃料電池セル３との剥離を生じるおそれがある。それに伴って、燃料電池セルスタック２の発電出力が低下するおそれがある。

図２に示す集電部材４は一方の導電体１５ａの他方側（連結部１８が接続されていない側）に他方の導電体１５ｂに接触しない延伸部１９を有することから、延伸部１９が他方の導電体１５ｂと接触するまでは、燃料電池セルの変形に導電体１５ａ，１５ｂが柔軟に追従することができ、延伸部１９が他方の導電体１５ｂと接触すると、導電体１５ａ，１５ｂの他方側（延伸部１９が設けられた側）の集電片１６の変形を抑制することができ、導電体１５ａ，１５ｂの他方側における導電体間距離ｄを保持することができる。それゆえ、燃料電池セル３と集電部材４との剥離を抑制することができる。それにより、燃料電池セル３と集電片１６（集電部材４）との剥離を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

また、それぞれの導電体１５ａ，１５ｂの他方側の接続部１７同士が接続固定されていないことに加えて、導電体１５ａ，１５ｂが、隣接する燃料電池セル３に当接する複数の集電片１６と、複数の集電片１６の一方側の端部同士および他方側の端部同士をそれぞれ接続する接続部１７とを基本構成とする導電体片を燃料電池セル３の上下方向に導電性連結片２０を介して複数連結して構成されていることから、燃料電池セル３の変形（伸び）に対しても、集電部材４が柔軟に追従して変形することができる。それにより、燃料電池セル３と集電部材４との剥離を抑制することができ、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

なお、導電体片同士を連結する導電性連結片２０の幅は、導電体片（導電体１５ａ，１５ｂ）の幅よりも短いことが好ましい。それにより、燃料電池セル３の変形（伸び）に対して柔軟に追従することができ、燃料電池セル３と集電部材４との剥離を抑制することができる。

ここで、集電部材４（導電体１５ａ，１５ｂ）における上下方向の長さとしては、燃料電池セル３に生じる応力を効果的に緩和するとともに、燃料電池セル３の発電により生じた電流を効率よく集電することと、このような集電部材４を備える燃料電池セルスタック装置１を収納容器内に収納して燃料電池モジュールを構成した場合に（後述する図４参照）、集電部材４が燃料電池モジュールを構成する他の部材と接触することにより生じる電流のロスとを考慮して、空気側電極層１０の長さと同等またはそれ以上であり、燃料電池セル３の長さと同等またはそれ以下であることが好ましい。

同様に、導電体１５ａ，１５ｂの幅としては、空気極側電極層１０の幅以上が好ましく、燃料電池セル３の幅以下であることが好ましい。具体的には延伸部１９が設けられた一方の導電体１５ａの幅が空気極側電極層１０の幅以上であり、他方の導電体１５ｂの幅が燃料電池セル３の幅以下であることが好ましい。

なお、集電部材４は一枚の板状の部材にスリット等を設けて、その板を折り曲げて作製することができる。それにより、容易に集電部材４を作製することができる。また、一対の導電体１５ａ，１５ｂと、連結部２３とを別部材として作製し、溶接することで集電部材４を作製することもでき、複数の集電片１６と、接触部１７と、連結部１８と、延伸部１９と、導電性連結片２０とをそれぞれ別部材として作製し、それぞれを溶接することで集電部材４を作製することもできる。

ここで、導電体間距離ｄとは図２，３に示すｄであり、導電体１５ａ，１５ｂ，２７ａ，２７ｂ，３４ａ，３４ｂ同士の対向する表面間の長さを示す。例えば、一方の導電体３４ａと他方の導電体３４ｂの接続部３３同士が対向して配置されている場合に、導電体間距離は、それぞれの接続部３３同士の距離とすることができる（図３（ｂ）参照）。

図３（ａ）は本発明の燃料電池セルスタック装置を構成する集電部材の他の一例を示す平面図、図３（ｂ）は本発明の燃料電池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平面図である。

図３（ａ）に示す集電部材２２は、図２（ａ）とほぼ同様の構成を有するものであるが一方の導電体２７ａの他方側の接続部２４から他方の導電体２７ｂの他方側の接続部２４に向かって延びている延伸部２６が、他方の導電体２７ｂの他方側の接続部２４に接続固定されず、予め接触している。それにより、集電部材２２に圧縮応力が生じた場合に、導電体２７ａ，２７ｂの他方側（延伸部２６が設けられた側）における導電体間距離ｄを保持することができ、燃料電池セル３と集電部材２２との剥離を抑制することができる。

また、延伸部２６が他方の導電体２７ｂの他方側の接続部２４に接触していることから、他方の導電体２７ｂにおける集電片２３が、延伸部２６と接触せず、延伸部２６に押されて変形することを抑制することができる。

さらに、延伸部２６が他方の導電体２７ｂと接触していることから一方の導電体２７ａから他方の導電体２７ｂへ電気が流れやすくなる。それにより連結部２５における電流集中を緩和することができ、連結部２５の劣化の抑制および、集電部材２２の電気抵抗を低下させることができる。そのため、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

図３（ｂ）に示す集電部材２９は、図２（ａ）とほぼ同様の構成を有するものであるが、他方の導電体３４ｂの他方側の接続部３１に、一方の導電体３４ａに向かって延びている延伸部３２を備えるとともに、一方の導電体３４ａの延伸部３３と、他方の導電体３４ｂの延伸部３３とが接続固定されず、接触していることから、集電部材２９の保形性を高めることができ、さらにハンドリング性を向上させることができる。また、集電部材２９に引張応力が生じた場合に、導電体３４ａ，３４ｂが燃料電池セル３の変形に柔軟に追従することができる。

また、集電部材２９に圧縮応力が生じた場合に、導電体３４ａ，３４ｂの他方側（延伸部２６が設けられた側）における導電体間距離ｄを保持することができ、燃料電池セル３と集電部材２９との剥離を抑制することができる。

さらに、一方の導電体３４ａの延伸部３３と他方の導電体３４ｂの延伸部３３が接続固定されず、接触していることから、一方の導電体３４ａと他方の導電体３４ｂに生じる応力を均一に近づけることができ、導電体３４ａ，３４ｂに生じる応力を緩和することができ、燃料電池セル３の変形により追従することができ、燃料電池セル３と集電部材２９の剥離を抑制することができる。

なお、図２および図３では延伸部１９，２６，３５が屈曲や湾曲していない例を示したが、延伸部１９，２６，３５は屈曲や湾曲していてもよい。また、集電片１６，２３，３０の上下方向の幅や接続部１７，２４，３１の上下方向の長さ等は、集電効率を考慮し適宜設定すればよい。また、延伸部１９，２６，３５を接続部１７，２４，３１に対して垂直に設けた例を示したが、垂直に設けることに限られるものではない
また、図２および図３においては、延伸部１９，２６，３５の先端が、他方の導電体１５ｂ，２７ｂ，３４ｂや他方の導電体１５ｂ，２７ｂ，３４ｂの他方側の接続部１７，２４，３１に接触する例や、延伸部１９，２６，３５の先端同士が接触する例を示したが、延伸部１９，２６，３５の一部がそれぞれに接触していればよく、先端での接触に限られるものではない。例えば、延伸部１９，２６，３５の側面に他方の導電体１５ｂ，２７ｂ，３４ｂの他方側の接続部１７，２４，３１が接触してもよい。

図４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３７の内部に、本発明の燃料電池セルスタック装置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３３を燃料電池セルスタック２の上方に配置している。そして、改質器３８で生成された燃料ガスは、ガス流通管３９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４においては、収納容器３７の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されている燃料電池セルスタック装置１および改質器３８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図４に示した燃料電池モジュール３６においては、燃料電池セルスタック装置１を、収納容器３７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３７の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材４０は、図４においてはマニホールド７に並置された燃料電池セルスタック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の下端部側から上端部側に沿って流れるように、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。なお、燃料電池セル３の下端部側に供給された酸素含有ガスの一部は、集電部材（図示せず）の内部に流れ、集電部材の内部を下端部側から上端部側へと流れる。

ここで、本発明の集電部材４においては、一方の導電体１５ａの他方側の接続部１７から他方の導電体１５ｂに向かって延びている延伸部１９を備えることから、集電部材４に圧縮応力が生じた場合であっても、一方の導電体１５ａと他方の導電体１５ｂにおいて間隔を確保することができる。それにより、十分な量の酸素含有ガス（空気）を集電部材４の内部に流通させることができることから、燃料電池セル３に十分に酸素含有ガス（空気）を供給することができ、燃料電池セル３の発電出力を低下を抑制することができ、燃料電池セルスタック２の発電出力の低下を抑制することができる。それにより信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

なお、一方の導電体１５ａと他方の導電体１５ｂとの間隔は、十分な量の酸素含有ガス（空気）を集電部材４の内部に流通させる点と、燃料電池セルスタック２の小型化の点から１〜２．５ｍｍであることが好ましい。

また、本発明の集電部材２２においても、一方の導電体２７ａの他方側の接続部２４から他方の導電体２７ｂに向かって延びている延伸部２６を備えることから、集電部材２２に圧縮応力が生じた場合であっても、一方の導電体２７ａと他方の導電体２７ｂにおいて間隔を確保することができる。それにより、十分な量の酸素含有ガス（空気）を集電部材２２の内部に流通させることができることから、燃料電池セル３に十分に酸素含有ガス（空気）を供給することができ、燃料電池セル３の発電出力を低下を抑制することができ、燃料電池セルスタック２の発電出力の低下を抑制することができる。それにより信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

また、本発明の集電部材２９においても、一方の導電体３４ａの他方側の接続部３１から他方の導電体３４ｂに向かって延びている延伸部３３を備えることから、集電部材２９に圧縮応力が生じた場合であっても、一方の導電体３４ａと他方の導電体３４ｂにおいて間隔を確保することができる。それにより、十分な量の酸素含有ガス（空気）を集電部材２９の内部に流通させることができることから、燃料電池セル３に十分に酸素含有ガス（空気）を供給することができ、燃料電池セル３の発電出力を低下を抑制することができ、燃料電池セルスタック２の発電出力の低下を抑制することができる。それにより信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１とすることができる。

また、燃料電池セル３のガス流路１３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、燃料電池セルスタック装置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１３から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セルスタック２の上方に配置された改質器３８を温めることができる。それにより、改質器３８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３６においては、上述したように、信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置１を収納容器３２に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池モジュール３１とすることができる。

図５は、外装ケース内に図４で示した燃料電池モジュール３６と、燃料電池モジュール３６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５においては一部構成を省略して示している。

図５に示す燃料電池装置４１は、支柱４６と外装板４７から構成される外装ケース内を仕切板４８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３６を収納するモジュール収納室４５とし、下方側を燃料電池モジュール３６を動作させるための補機を収納する補機収納室４４として構成されている。なお、補機収納室４４に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４８には、補機収納室４４の空気をモジュール収納室４５側に流すための空気流通口４２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４７の一部に、モジュール収納室４５内の空気を排気するための排気口４３が設けられている。

このような燃料電池装置４１においては、上述したように、信頼性の向上した燃料電池モジュール３６をモジュール収納室４５に収納し、燃料電池モジュール３６を動作させるための補機を補機収納室４４に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池装置４１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、上述した燃料電池モジュール３６においては、燃料電池セル３内のガス流路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。

１，５１：燃料電池セルスタック装置
２，５２：セルスタック
３，５３：燃料電池セル
４，２２，２９，５４，６７：集電部材
５，５５：導電部材
６，５６：電流引出し部
７，５７：マニホールド
１５ａ，２７ａ，３４ａ：一方の導電体
１５ｂ，２７ｂ，３４ｂ：他方の導電体
１６，２３，３０，６６，６９：集電片
１７，２４，３１，６５，７０：接続部
１８，２５，３２：連結部
１９，２６，３３：延伸部
２０，７１：導電性連結片
３６：燃料電池モジュール
４１：燃料電池装置

Claims (6)

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前記燃料電池セル同士を電気的に接続してなる燃料電池セルスタックと、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燃料電池セルスタック装置において、
   前記集電部材は、隣接する一方の前記燃料電池セル側および他方の前記燃料電池セル側にそれぞれ配置された前記燃料電池セルに接触する複数の集電片の一方の端部同士および他方の端部同士をそれぞれで接続してなる一対の導電体と、一方の前記導電体の一方側の接続部を他方の前記導電体の一方側の接続部に離間させた状態で連結している連結部と、一方の前記導電体の他方側の接続部から他方の前記導電体に向かって延びるとともに、他方の前記導電体に接続固定されていない延伸部とを有し、かつ一方の前記導電体の他方側の接続部と他方の前記導電体の他方側の接続部とが接続固定されていないことを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
2. 前記延伸部が、他方の前記導電体と接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
3. 前記延伸部が、他方の前記導電体の他方側の接続部に接触していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルスタック装置。
4. 他方の前記導電体の他方側の接続部に一方の前記導電体に向かって延びている延伸部を有するとともに、一方の前記導電体の延伸部に他方の前記導電体の前記延伸部が接続固定されておらず、接触していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
5. 請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載の燃料電池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。
6. 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。

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