JP5319460B2 - 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、複数の燃料電池セルを配列してなる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（空気等）とを用いて６００℃〜１０００℃の高温下で発電する燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続してなるセルスタックを燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドに固定してなるセルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを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。）。

図６は、従来の燃料電池モジュール４０を示す外観斜視図である。このような燃料電池モジュール４０は、収納容器４１内にセルスタック装置４７を収納することで構成される。ここで、セルスタック装置４７としては、扁平状の燃料電池セル４２を、間に集電部材を介して複数個立設させた状態で配列してセルスタック４３を構成するとともに、セルスタック４３を構成する各燃料電池セル４２を、燃料電池セル４２の内部に設けられたガス流路（図示せず）に燃料ガスを供給するためのマニホールド４４にガラス等の接着材により固定することで、セルスタック装置４７が構成されている。なお、図６においては、セルスタック装置４７（セルスタック４３）の上方に、マニホールド４４に供給する燃料ガスを生成するための改質器４５が配置されており、改質器４５とマニホールド４４とが燃料ガス供給管４６により接続されている。

このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの上端部側にて、燃料電池セルの発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、燃料電池セルの温度を上昇させることにより、燃料電池セルの発電を効率よく行なうことができる。

また、燃料電池セルの上端部側が燃料電池セルに供給される酸素含有ガスにて酸化されることを抑制すべく、燃料電池セルの上端部側に環状の部材を装着した構成のセルスタック装置（例えば、特許文献２参照。）や、燃料電池セルの内部に設けられた複数のガス流路に均一に反応ガスを供給する目的で、燃料電池セルの上端部側に蓋状部材を設けた構成のセルスタック装置（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。

特開２００７−５９３７７号公報 特開２００５−３４６９８８号公報 特開２００４−２０７００６号公報

しかしながら、燃料電池セルの上端部側にて、燃料電池セルの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装置においては、燃料電池セルの上端部側にて燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池セルの上端部側の温度が上昇し、燃料電池セルの一部が劣化や破損するおそれがあった。

また、燃料電池セルの上端部側に、燃料電池セルの上端部側を覆うように環状部材や蓋状部材を設けた場合に、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとの混合が十分に行なわれず、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを効率よく燃焼させることが難しくなるおそれがあった。

それゆえ、本発明は、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとの混合を十分に行なうことができ、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを効率よく燃焼させることができるとともに、燃料電池セルの劣化や破損を抑制することができるセルスタック装置、該セルスタック装置を備える燃料電池モジュール、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、内部に第１の反応ガスを流すための第１の反応ガス流路を有する扁平状の導電性支持体の一方側主面に、内側電極層、固体電解質層、外側電極層がこの順に設けられ、他方側主面にインターコネクタが設けられてなる燃料電池セルを、間に集電部材を介して複数個を立設させた状態で配列してなるとともに、隣り合う前記燃料電池セル間に供給される第２の反応ガスと前記第１の反応ガスとにより前記燃料電池セルにて発電を行なう構成のセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに、前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのマニホールドとを備え、前記燃料電池セルの上端の上方にて、該燃料電池セルの発電に使用されなかった前記第１の反応ガスと前記第２の反応ガスとを燃焼させる構成のセルスタック装置であって、前記燃料電池セルの上端部に蓋状部材が配置されており、該蓋状部材は、前記燃料電池セルの前記一方側主面および前記他方側主面のそれぞれと空間を形成し、該空間を隣り合う前記燃料電池セル間に供給される第２の反応ガスが流れるための第２の反応ガス流路とするとともに、該第２の反応ガス流路を流れた前記第２の反応ガスと前記第１の反応ガス流路より排出される前記第１の反応ガスとを混合する混合流路を備え、上面に、前記混合流路を流れて混合された混合ガスを排出するための排気口を備えるとともに、セラミックス材料にて形成されてい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、蓋状部材が、燃料電池セルの一方側主面および他方側主面のそれぞれと空間を形成し、その空間を燃料電池セル間に供給される第２の反応ガスが流れるための第２の反応ガス流路とするとともに、第２の反応ガス流路を流れた第２の反応ガスと第１の反応ガス流路より排出される第１の反応ガスとを混合する混合流路を備えることから、燃料電池セルの発電に用いられなかった第１の反応ガスと第２の反応ガスとを効率よく混合することができる。

そして、混合流路を流れた混合ガスが、燃料電池セルの上端部に設けられた蓋状部材の上面に設けられた排気口より排気されて、主に排気口の上方にて混合ガスが燃焼される。それゆえ、第１の反応ガスと第２の反応ガスとが効率よく混合された混合ガスが燃焼されることから、燃料電池セルの発電に使用されなかった第１の反応ガスと第２の反応ガスとが効率よく燃焼することとなる。

また、蓋状部材をセラミックス材料にて形成することにより、蓋状部材の破損を抑制できるとともに、燃料電池セルの上端部に、混合ガスの燃焼により生じる燃焼熱が伝熱することを抑制でき、燃料電池セルの上端部の温度が過度に上昇することを抑制することができる。それにより、燃料電池セルの劣化や破損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、前記混合流路が、前記排気口に向けて先細りの形状となっ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、蓋状部材に設けられた混合流路が、排気口に向けて先細りの形状となっていることから、混合流路内にて、燃料電池セルの発電に使用されなかった第１の反応ガスと第２の反応ガスとがの燃焼が行なわれることを抑制できることから、燃料電池セルの上端部の温度が過度に上昇することを抑制でき、燃料電池セルの一部の劣化や破損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、前記セルスタックを構成するそれぞれの前記燃料電池セルに対応する前記蓋状部材を複数個備えてなり、それぞれの前記蓋状部材が、前記セルスタックを構成するそれぞれの前記燃料電池セルの上端部に非接合状態にてそれぞれ配置されているとともに、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側からそれぞれの前記蓋状部材を挟み込むことにより、それぞれの前記蓋状部材を固定するための固定部材を備えることが好ましい。

このようなセルスタック装置においては、蓋状部材がセルスタックを構成する燃料電池セルの上端部に非接合状態にてそれぞれ配置されている、すなわち燃料電池セルの上方より蓋状部材を被せることで配置することができることから、燃料電池セルと蓋状部材とを接合するための工程等が不要となり、製造コストを削減することができる。

ここで、それぞれの蓋状部材を燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの両端側から挟み込むことにより各蓋状部材を固定するための固定部材を備えていることから、蓋状部材を効果的に固定することができる。

本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に上記のセルスタック装置を収納してなることを特徴とすることから、燃料電池セルの劣化や破損を抑制することができ、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、上記の燃料モジュールと、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。

本発明のセルスタック装置は、燃料電池セルの上端部に、燃料電池セルの一方側主面および他方側主面のそれぞれと空間を形成し、該空間を燃料電池セル間に供給される第２の反応ガスが流れるための第２の反応ガス流路とするとともに、該第２の反応ガス流路を流れた第２の反応ガスと第１の反応ガス流路より排出される第１の反応ガスとを混合する混合流路を備え、上面に、混合流路を流れて混合された混合ガスを排出するための排気口を備えるとともに、セラミックス材料にて形成されている蓋状部材が設けられていることから、燃料電池セルの発電に使用されなかった第１の反応ガスと第２の反応ガスとを効率よく混合することができ、混合された混合ガスを蓋状部材の排気口の上方にて効率よく燃焼させることができる。また、蓋状部材をセラミックス材料にて形成することにより、燃料電池セルの上端部に、混合ガスの燃料により生じる燃焼熱が伝熱することを抑制できることから、燃料電池セルの上端部の温度が過度に上昇することを抑制でき、燃料電池セルの劣化や破損を抑制することができる。あわせて、このセルスタック装置を収納容器内に収納することで、長期信頼性が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、長期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）の一部を蓋状部材をはずした状態で抜粋して示す平面図である。 本発明のセルスタック装置の一例における燃料電池セルと蓋状部材とを抜粋して概略的に示す斜視図である。 （ａ）は本発明のセルスタック装置の一例における燃料電池セルと蓋状部材とを抜粋して示す断面図であり、（ｂ）は本発明のセルスタック装置の他の例における燃料電池セルと蓋状部材とを抜粋して示す断面図である。 本発明の燃料電池モジュールの一例を示す側面図である。 本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。 従来の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。

図１は、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１の一部を蓋状部材をはずした状態で拡大して示す平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。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。

ここで、セルスタック装置１は、内部に第１の反応ガス流路９を有して、一対の対向する平坦面をもつ扁平状の導電性支持体１０の一方の平坦面上に内側電極層１１と、固体電解質層１２と、外側電極層１３とをこの順に積層してなるとともに、他方の平坦面のうち外側電極層１３が形成されていない部位にインターコネクタ１４を積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３を、間に集電部材４を介して立設させた状態で配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２を備えている。

また、インターコネクタ１４の外面にはＰ型半導体層１５を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層１５を介してインターコネクタ１４に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。このＰ型半導体層１５は、外側電極層１３の外面に設けることもできる。

そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端部が、第１の反応ガス流路９を介して燃料電池セル３に第１の反応ガスを供給するためのマニホールド７にガラスシール材（図示せず）等の接合材により固定されている。

なお、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３として、第１の反応ガス流路９内に燃料ガス（水素含有ガス）を流すとともに、内側電極層１１として燃料極層、外側電極層１３として空気極層を設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル３を示しており、マニホールド７より第１の反応ガスとして燃料ガスを供給し、隣り合う燃料電池セル３間に第２の反応ガスとして酸素含有ガス（空気等）を供給することで、燃料電池セル３の発電が行なわれる。以下の説明において第１の反応ガスとして燃料ガスを、第２の反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合を例示して説明する。

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集電部材４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弾性変形可能な導電部材５を具備している。ここで、図１に示す導電部材５においては、燃料電池セル３の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し部６が設けられている。

このようなセルスタック装置においては、燃料電池セル３の上端部側にて、第１の反応ガス流路９より排出され、燃料電池セル３の発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とすることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させるまたは高温に維持することができ、燃料電池セル３（セルスタック装置１）の発電を効率よく行なうことができる。

ここで、図１に示すセルスタック装置１においては、各燃料電池セル３の上端部に蓋状部材８が配置され、これら各蓋状部材８は、セルスタック２を挟持するように配置された導電部材５により挟持されている。なお、蓋状部材８については後述する。

以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料極層１１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１２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、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１３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１４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１４は導電性支持体１０に形成された複数の第１の反応ガス流路９を流通する燃料ガス、および導電性支持体１０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。

導電性支持体１０としては、燃料ガスを燃料極層１１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１４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、導電性支持体１０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１１または固体電解質層１２との同時焼成により導電性支持体１０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導電性支持体１０を形成することが好ましい。また、導電性支持体１０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１５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１４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１２と空気極層１３との間に、固体電解質層１２と空気極層１３との接合を強固とするとともに、固体電解質層１２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、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、図示はしていないが、インターコネクタ１４と導電性支持体１０との間に、インターコネクタ１４と導電性支持体１０との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層１１と類似した組成の密着層を設けることもできる。

ところで、上述のセルスタック装置１において、燃料電池セル３の上端部側にて、第１の反応ガス流路９より排出され、燃料電池セル３の発電で使用されなかった燃料ガスを燃焼させる場合に、燃料電池セル３の上端部側の温度が過度に上昇し、燃料電池セル３の一部（特に上端部側）が劣化や破損するおそれがあった。

また、導電性支持体１０の内部に設けられた第１の反応ガス流路９より排出される燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスと、隣り合う燃料電池セル３間を流れ、燃料電池セル３の発電に使用されなかった酸素含有ガスとが、これらの各ガスの拡散により混合されて燃焼されることから、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスを効率よく燃焼させることが難しくなるおそれがあった。

それゆえ、本発明のセルスタック装置１においては、燃料電池セル３の上端部に蓋状部材８が配置されている。

図２は、セルスタック装置１を構成する燃料電池セル３と蓋状部材８とを抜粋して概略的に示す斜視図であり、図３（ａ）は図２に示す燃料電池セル３と蓋状部材８との断面図であり、（ｂ）はセルスタック装置１の他の例における燃料電池セル３と蓋状部材８との断面図である。

蓋状部材８は、断面図において四角形状から凸形状がくり貫かれたような形状とされている。このような蓋状部材８を燃料電池セル３の上端部に配置した場合に、蓋状部材８の内側と、燃料電池セル３の一方側主面および他方側主面（平坦面）のそれぞれとの間に、隣り合う燃料電池セル３間（燃料電池セル３の外側）に供給されて、燃料電池セル３の発電に使用されなかった酸素含有ガス（第２の反応ガス）が流れる空間（第２の反応ガス流路１６）が形成される。

また、蓋状部材８の内側においては、燃料電池セル３の上方に、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスが流れるための流路が形成されている。ここで、この流路は、第２の反応ガス流路と接続されていることから、第２の反応ガス流路を流れる燃料電池セル３の発電に使用されなかった酸素含有ガスと、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスとが混合される混合流路１７となる。それゆえ、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを効率よく混合することができる。

そして、混合流路１７を流れた混合ガスは、蓋状部材８の上面に設けられた排気口１８より排気されて燃焼される。それゆえ、燃料電池セル３の発電で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装置１において、燃料電池セル３の発電で使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル３の発電で使用されなかった酸素含有ガスと効率よく混合された後、主に排気口１８の上方にて燃焼されることとなる。それゆえ、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとが効率よく混合された混合ガスを燃焼することで、効率よく燃焼し、燃料電池セル３の温度を効率よく上昇するまたは高温に維持することができる。

また、燃料電池セル３の発電で使用されなかった燃料ガスは、燃料電池セル３の発電で使用されなかった酸素含有ガスと効率よく混合された後、主に排気口１８の上方にて燃焼されることから、混合ガスは燃料電池セル３の上端と距離を有して燃焼されることとなる。それにより、燃料電池セル３の発電で使用されなかった燃料ガスの燃焼に伴って生じる燃焼熱が、直接的に燃料電池セル３の上端部に伝熱することが抑制されることから、燃料電池セル３の上端部が過度に高温となることを抑制でき、燃料電池セル３の劣化や破損を抑制することができる。

また、蓋状部材８は、熱伝導率が低くかつ耐熱性を有するセラミックス材料にて形成されていることから、排気口１８の上方での燃料電池セル３の発電で使用されなかった燃料ガスの燃焼に伴って生じる燃焼熱が、燃料電池セル３の上端部に伝熱することをさらに抑制することができる。それゆえ、燃料電池セル３の上端部が過度に高温となることを抑制でき、燃料電池セル３の劣化や破損を抑制することができる。

蓋状部材８を形成するためのセラミックス材料としては、熱伝導率が低くかつ耐熱性を有するセラミックス材料を用いることが好ましく、例えば、シリカ、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等のセラミックス材料を例示することができる。なお、これらセラミックス材料は、希土類元素が固溶された部分安定化セラミックス材料や安定化セラミックス材料とすることもできる。

ここで、混合流路１７の入口の大きさ（断面積）が、排気口１８の大きさよりも小さい場合には、混合ガスの燃焼が混合流路１７内でも生じる可能性がある。この場合に、燃料電池セル３の劣化や破損を効果的に抑制することができないおそれがある。

それゆえ、図３（ｂ）に示す蓋状部材８においては、混合流路１９が、排気口１８に向けて先細りの形状とされている。それにより、混合ガスの燃焼が混合流路内で生じることを抑制でき、燃料電池セル３の劣化や破損をより抑制することができる。

また、上述の蓋状部材８は、セルスタック２を構成する燃料電池セル３の上端部に配置されていればよい。そのため、図１においては、セルスタック２を構成する燃料電池セル３に対応する蓋状部材８を複数個備えてなり、各蓋状部材８を各燃料電池セル３のぞれぞれの上端部に配置してなるセルスタック装置１の一例を示したが、これらの各蓋状部材８を一体的な形状とすることもできる。この場合には、セルスタック装置１の作製工程において、工程を簡略化することができる。

ところで、セルスタック装置１の運転に伴い、燃料電池セル３に反り等の変形が生じる場合がある。ここで、燃料電池セル３の上端部に蓋状部材８を接合して配置すると、燃料電池セル３の上端部に応力が生じ、燃料電池セル３に破損が生じる可能性がある。

また、各燃料電池セル３に対応する蓋状部材８を複数個備え、各蓋状部材８を各燃料電池セル３の上端部に配置するように構成するセルスタック装置１において、各蓋状部材８を各燃料電池セル３の上端部に接合して構成する場合においては、製造工程が煩雑となるおそれがある。

それゆえ、本発明のセルスタック装置１においては、蓋状部材８を各燃料電池セル３の上端部に非接合状態にてそれぞれ配置するように構成することが好ましい。具体的には、図２に示したように、蓋状部材８の内壁の一部が、燃料電池セル３の両端部側（導電性支持体１０のうち、端部に配置された反応ガス流路９よりも外側に位置する部位）に接するようにして配置することが好ましい。それにより、燃料電池セル３の上端部に生じる応力を緩和でき、燃料電池セル３に破損が生じることを抑制できる。

ここで、特に、各燃料電池セル３に対応する蓋状部材８を複数個備える構成のセルスタック装置１においては、各燃料電池セル３の上端部に、非接合状態にて各蓋状部材８を配置すると、蓋状部材８が容易に可動できることから、蓋状部材８の安定性が悪くなるおそれがある。それゆえ、セルスタック装置１に各蓋状部材８を燃料電池セル３の配列方向に沿ったセルスタック２の両端側から挟み込むための固定部材を設けることが好ましい。それにより、各蓋状部材８を安定的に各燃料電池セル３の上端部に配置することができる。なお、図１に示すセルスタック装置１においては、導電部材５が固定部材の役割を果たしている例を示しているが、別途固定部材を設けることも可能である。

この場合に、固定部材（導電部材５）を弾性変形可能な部材として構成することが好ましい。それにより、燃料電池セル３に反り等の変形が生じた場合であっても、固定部材（導電部材５）が弾性変形することにより、燃料電池セル３の上端部に生じる応力を緩和できるとともに、各蓋状部材８を安定的に各燃料電池セル３の上端部に配置することができる。

図４は、本発明のセルスタック装置１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール２０（以下、モジュールと略す場合がある。）の断面図である。なお、モジュール２０は、図６に示した燃料電池モジュール４０と同様の外観であり、図６に示したセルスタック装置４７を構成する各燃料電池セル４２の上に蓋状部材８が配置された構成となる。

モジュール２０を構成する収納容器２１は、内壁２２と外壁２３とを有する二重構造で、外壁２３により収納容器２１の外枠が形成されるとともに、内壁２２によりセルスタック２（セルスタック装置１）を収納する発電室２４が形成されている。なお、発電室２４には、マニホールド７を介して燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための気化部と改質触媒を収納してなる改質部とを備える改質器２９が配置されている。改質器２９の形状は図６に示した改質器４５と同様である。

また、モジュール２０（収納容器２１）においては、内壁２２と外壁２３との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通するガス流路としている。

ここで内壁２２には、内壁２２の上面よりセルスタック２の側面側にまで延び、内壁２２と外壁２３とで形成されるガス流路に通じて、セルスタック２（燃料電池セル３）に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入部材３０が備えられている。また、反応ガス導入部材３０の下端に、燃料電池セル３の配列方向に沿って、燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための反応ガス導入口２５が設けられている。

図２においては、反応ガス導入部材３０が、収納容器２１の内部に横並びに並置された２つのセルスタック２間に位置するように配置されているが、セルスタック２の数により、例えば反応ガス導入部材３０をセルスタック２の両側面側から挟み込むように配置してもよい。具体的には、セルスタック２を１つだけ備えるセルスタック装置１を収納する場合には、反応ガス導入部材３０を２つ設け、セルスタック２を両側面側から挟み込むように配置することができる。

また発電室２４内には、モジュール２０内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール２０内の温度を高温に維持するために、板状やブランケット等の形状の断熱材２６が適宜設けられている。

断熱材２６は、セルスタック２の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック２の側面側に配置するとともに、セルスタック２の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱材２６を配置することが好ましい。なお、好ましくは、断熱材２６はセルスタック２の両側面側に配置することが好ましい。それにより、セルスタック２の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、反応ガス導入部材３０より導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック２を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。

この場合において、セルスタック２の側面に配置される断熱材２６は、その上端が蓋状部材８の下端と接して配置するような大きさとすることができる。それにより、燃料電池セル３の外側より供給され、燃料電池セル３の発電に使用されなかった酸素含有ガスを、蓋状部材８の第２の反応ガス流路１６に効率よく流すことができる。

また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁２２の内側には、排ガス用内壁２７が設けられており、内壁２２と排ガス用内壁２７との間が、発電室２４内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路とされている。なお、排ガス流路は、収納容器２１の底部に設けられた排気孔２８と通じている。

ここで、燃料電池セル３の発電に使用されずに、蓋状部材８の第２の反応ガス流路１８を流れた酸素含有ガスと、燃料電池セル３の発電に使用されずに、第１の反応ガス流路９より排出される燃料ガスとが、蓋状部材８の混合流路１９を流れた後に、排気口１８より排出される。

そのため、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとは、蓋状部材８の上方で、改質器２９との間の領域にて燃焼されることとなる。なお、図４においては、この燃焼領域を一点鎖線にて示している。それにより、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。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。

また、燃料電池セル３の上端部に蓋状部材８を配置していることから、燃料電池セル３の上端部が過度に高温となることを抑制でき、燃料電池セル３の劣化や破損を抑制することができる。それにより、長期信頼性の向上したモジュール２０とすることができる。

なお、図示してはいないが、セルスタック２の上方には、蓋状部材８の排気口１８より排出される混合ガスを燃焼させるための着火装置を備えることが好ましい。着火装置としては、例えば、着火ヒーターやバーナー等を用いることができる。

図５は、外装ケース内に図４で示したモジュール２０と、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３１は、支柱３２と外装板３３から構成される外装ケース内を仕切板３４により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２０を収納するモジュール収納室３５とし、下方側をモジュール２０を動作させるための補機を収納する補機収納室３６として構成されている。なお、補機収納室３６に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板３４には、補機収納室３６の空気をモジュール収納室３５側に流すための空気流通口３８が設けられており、モジュール収納室３５を構成する外装板３３の一部に、モジュール収納室３５内の空気を排気するための排気口３８が設けられている。

このような燃料電池装置３１においては、燃料電池セル３の劣化や破損を抑制することができ、長期信頼性が向上したモジュール２０を収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池装置３１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、第１の反応ガスとして燃料ガスを、第２の反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合について例示したが、第１の反応ガスとして酸素含有ガスを、第２の反応ガスとして燃料ガスを用いる構成とすることもできる。この場合においては、燃料電池セル３の第１の反応ガス流路９に燃料ガスを供給し、第２の反応ガス流路に酸素含有ガスを供給する例を示したが、反応ガス流路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１１とし、外側電極層を燃料極層１２とする構成の燃料電池セル３とすればよい。またこの場合において、モジュール２０を構成する収納容器２１は適宜構成を変更すればよい。

１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
５：導電部材
８：蓋状部材
９：第１の反応ガス流路
１６：第２の反応ガス流路
１７、１９：混合流路
１８：排気口
２０：燃料電池モジュール
３１：燃料電池装置

Claims (5)

1. 内部に第１の反応ガスを流すための第１の反応ガス流路を有する扁平状の導電性支持体の一方側主面に、内側電極層、固体電解質層、外側電極層がこの順に設けられ、他方側主面にインターコネクタが設けられてなる燃料電池セルを、間に集電部材を介して複数個を立設させた状態で配列してなるとともに、隣り合う前記燃料電池セル間に供給される第２の反応ガスと前記第１の反応ガスとにより前記燃料電池セルにて発電を行なう構成のセルスタックと、前記燃料電池セルの下端を固定するとともに、前記燃料電池セルに第１の反応ガスを供給するためのマニホールドとを備え、前記燃料電池セルの上端の上方にて、該燃料電池セルの発電に使用されなかった前記第１の反応ガスと前記第２の反応ガスとを燃焼させる構成のセルスタック装置であって、
   前記燃料電池セルの上端部に蓋状部材が配置されており、
   該蓋状部材は、前記燃料電池セルの前記一方側主面および前記他方側主面のそれぞれと空間を形成し、該空間を隣り合う前記燃料電池セル間に供給される第２の反応ガスが流れるための第２の反応ガス流路とするとともに、該第２の反応ガス流路を流れた前記第２の反応ガスと前記第１の反応ガス流路より排出される前記第１の反応ガスとを混合する混合流路とを備え、上面に、前記混合流路を流れて混合された混合ガスを排出するための排気口を備えるとともに、セラミックス材料にて形成されていることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記混合流路が、前記排気口に向けて先細りの形状となっ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. 前記セルスタックを構成するそれぞれの前記燃料電池セルに対応する前記蓋状部材を複数個備えてなり、それぞれの前記蓋状部材が、前記セルスタックを構成するそれぞれの前記燃料電池セルの上端部に非接合状態にてそれぞれ配置されているとともに、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側からそれぞれの前記蓋状部材を挟み込むことにより、それぞれの前記蓋状部材を固定するための固定部材を備え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、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. 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を特徴とする燃料電池装置。
   
   
   
   

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